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Universidad de San Carlos de Guatemala

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Civil

OPTIMIZACIÓN DE PANEL ECOLÓGICO DE 0,80 METROS POR 2,40 METROS, PARA

ACOPLAR ENTRE COLUMNAS PREFABRICADAS EN VIVIENDA RURAL

Julio Héctor Martínez Letona

Asesorado por el Ing. Mario Rodolfo Corzo Ávila

Guatemala, febrero de 2015

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERÍA

OPTIMIZACIÓN DE PANEL ECOLÓGICO DE 0,80 METROS POR 2,40 METROS, PARA

ACOPLAR ENTRE COLUMNAS PREFABRICADAS EN VIVIENDA RURAL

TRABAJO DE GRADUACIÓN

PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA


POR

JULIO HÉCTOR MARTÍNEZ LETONA

ASESORADO POR EL ING. MARIO RODOLFO CORZO ÁVILA

AL CONFERÍRSELE EL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

GUATEMALA, FEBRERO DE 2015

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA


NÓMINA DE JUNTA DIRECTIVA

DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos

VOCAL I Ing. Angel Roberto Sic García

VOCAL II Ing. Pablo Christian de León Rodríguez

VOCAL III Inga. Elvia Miriam Ruballos Samayoa

VOCAL IV Br. Narda Lucía Pacay Barrientos

VOCAL V Br. Walter Rafael Veliz Muñoz

SECRETARIO Ing. Hugo Humberto Rivera Pérez

TRIBUNAL QUE PRACTICÓ EL EXAMEN GENERAL PRIVADO

DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos

EXAMINADOR Ing. Ronald Estuardo Galindo Cabrera

EXAMINADOR Ing. Crescencio Benjamín Cifuentes

EXAMINADOR Ing. Víctor Manuel López Juárez

SECRETARIO Ing. Hugo Humberto Rivera Pérez

ACTO QUE DEDICO A:

Dios Por brindarme la oportunidad de vivir y darme

la sabiduría para concluir el presente trabajo.

Mis padres Ya que gracias a su esfuerzo y sacrificio tuve

la oportunidad de estudiar y concluir esta

carrera.

La Facultad de

Ingeniería

Por todos los conocimientos y experiencias

adquiridos durante mi vida universitaria.

Mi asesor Por todos los consejos y ayuda prestados en

la elaboración de este trabajo.

Mis amigos y

compañeros de la

Facultad de Ingeniería

Por su apoyo y colaboración incondicional.

AGRADECIMIENTOS A:

Dios Por brindarme siempre lo necesario para

desarrollarme como persona y por darme el

conocimiento para realizar este trabajo.

Mis padres Quienes con sus ejemplos me han instruido

desde pequeño para ser un buen ciudadano.

Mi familia Por brindarme todo su apoyo y colaboración

incondicionalmente.

Todos mis maestros y

catedráticos

Por compartirme sus valiosos conocimientos.

Mis amigos Por todos los buenos momentos compartidos.

I

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES ............................................................................ V

LISTA DE SÍMBOLOS ...................................................................................... VII

GLOSARIO ........................................................................................................ IX

RESUMEN ....................................................................................................... XIII

OBJETIVOS ...................................................................................................... XV

INTRODUCCIÓN ............................................................................................ XVII

1. CONCEPTO GENERAL DEL SISTEMA CONSTRUCTIVO ..................... 1

2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA CONSTRUCTIVO .................................. 3

2.1. Fundamentos del sistema constructivo...................................... 3

2.2. Composición del sistema constructivo ....................................... 4

2.2.1. Núcleo central de botellas tipo PET (polietileno

tereftalato)................................................................. 5

2.2.2. Residuos sólidos inorgánicos compresibles ............. 8

2.2.3. Ferromalla................................................................. 9

2.2.4. Concreto liviano ...................................................... 11

2.2.5. Ferrocemento ......................................................... 13

3. PROPIEDADES FÍSICAS ....................................................................... 15

4. PROCEDIMIENTO DE ARMADO Y ENSAMBLAJE .............................. 19

5. VENTAJAS Y NOBLEZA DEL SISTEMA ............................................... 25

II

6. CLASIFICACIÓN DE PANELES DEL SISTEMA CONSTRUCTIVO ....... 29

6.1. Panel ecológico sistema constructivo ...................................... 31

7. CARACTERíSTICAS DE ACERO DE REFUERZO Y PIN

ACOPLADOR ......................................................................................... 33

8. TIPOLOGÍA DE LOS PANELES DEL SISTEMA CONSTRUCTIVO ....... 37

9. ENSAYOS DE LABORATORIO ............................................................. 41

9.1. Pruebas de compresión sobre muros....................................... 42

9.2. Pruebas de mortero.................................................................. 52

9.3. Pruebas de flexión vertical sobre muros .................................. 54

9.4. Pruebas de corte sobre muros ................................................. 59

10. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE ENSAYOS DE LABORATORIO ........ 63

10.1. Procedimiento y secuencia de los cálculos obtenidos en

laboratorio ................................................................................ 63

10.1.1. Ensayo compresión, deformometro 1 a h/2 y

deformometro 2 a h/3 .............................................. 63

10.1.2. Ensayo flexión vertical, deformometro a h/2 (1.20

metros de altura) ..................................................... 64

10.1.3. Ensayo a corte ........................................................ 68

10.2. Determinación de la carga de diseño de muros ....................... 71

10.2.1. Determinación de la carga de diseño a

compresión .............................................................. 71

10.2.2. Determinación de la carga de diseño a flexión

vertical ..................................................................... 73

10.2.3. Determinación de la carga de diseño a corte .......... 74

10.2.4. Evaluación resultados de flexocompresión ............. 75

III

11. ANÁLISIS COMPARATIVO Y DE RENDIMIENTO CON OTROS

SISTEMAS ............................................................................................. 85

11.1. Sistema electropanel ............................................................... 85

11.2. Sistema pared de concreto prefabricada ................................. 86

11.3. Sistema tabla de yeso ............................................................. 86

11.4. Sistema panel ecológico .......................................................... 87

CONCLUSIONES ............................................................................................. 89

RECOMENDACIONES ..................................................................................... 91

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 93

ANEXO ............................................................................................................. 95

V

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

FIGURAS

1. Panel ecológico de botellas tipo PET .................................................... 7

2. Estructura química del polietileno ......................................................... 8

3. Ferromalla o malla de gallinero ........................................................... 10

4. Ferrocemento en funcionamiento ........................................................ 14

5. Elaboración del mortero para panel ecológico .................................... 18

6. Armadura de marco rectangular .......................................................... 21

7. Armadura de acero de refuerzo transversal ........................................ 22

8. Ensamblaje de microcolumnas de botellas tipo PET .......................... 22

9. Fundición con mortero de panel ecológico .......................................... 23

10. Fundición con mortero de segundo panel ecológico ........................... 23

11. Relación de esbeltez de panel ecológico h/e= 24 ≥ 20 ....................... 28

12. Detalle de pin acoplador para columna ............................................... 34

13. Detalle de pin acoplador para solera de corona .................................. 35

14. Vaciado del mortero y tendido del mismo ........................................... 37

15. Finalización de la fundición ................................................................. 39

16. Desencofrado y forma final de paneles ecológicos ............................. 40

17. Prensa hidráulica de 150 000 libras .................................................... 42

18. Prueba a compresión de panel ecológico ........................................... 43

19. Gráfica de compresión con deformometro 2 a h/3 .............................. 45

20. Gráfica de ensayo a compresión con deformometro 1 a h/2 ............... 47

21. Principio de grieta en la parte inferior derecha debido a Poisson ....... 48

22. Efecto dovela del mortero envolviendo botellas PET .......................... 49

23. Vacío dejado por la dovela envolviendo microcolumnas ..................... 49

VI

24. Aparición de tres grietas debido a esfuerzos de compresión ............... 50

25. Aplastamiento total de esfuerzo último al punto de ruptura ................. 51

26. Prueba de Revenimiento del mortero NORMA ASTM C 143 ............... 52

27. Resultado de la prueba de Revenimiento de 3,5” ................................ 53

28. Curva típica de esfuerzo-deformación ................................................. 54

29. Prueba a flexión vertical de panel ecológico ........................................ 55

30. Gráfica de ensayo a flexión vertical ..................................................... 56

31. Principio de grieta en la parte posterior debido a la monofalla ............ 57

32. Colapso total por monofalla transversal única por esbeltez ................. 58

33. Prueba a corte de panel ecológico ...................................................... 59

34. Datos del ensayo a corte ..................................................................... 60

35. Gráfica de ensayo a corte .................................................................... 60

36. Aparecimiento de primera grieta en lado inferior izquierdo .................. 61

37. Falla por aplastamiento presentando 3 grietas en paralelo a

la vertical .............................................................................................. 62

38. Efecto de carga lateral de sismo (lateral) y viento (perpendicular) ...... 77

39. Efecto de carga P ................................................................................ 82

40. Carga equivalente P sobre panel ecológico en ensayo

flexión vertical ...................................................................................... 83

TABLAS

I. Datos de propiedades físicas y mecánicas de botellas tipo PET ......... 17

II. Datos de ensayo a compresión deformometro 2 a h/3 ........................ 44

III. Datos de ensayo a compresión con deformometro 1 a h/2 .................. 46

IV. Datos de ensayo a flexión vertical ....................................................... 56

V. Resumen de ensayos realizados ......................................................... 71

VI. Datos comparativos varios entre cuatro sistemas similares ................ 82

VII. Datos comparativos varios entre cuatro sistemas similares y costos .. 88

VII

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolo Significado

A‴ Acero acoplador (Pin)

A′ Acero longitudinal

A″ Acero transversal

A Área

P Carga puntual

cm Centímetro

cm² Centímetro cuadrado

a Constante para el cálculo de módulo elástico

ρ Cuantía de acero

Δ Deformación admisible

ϵ Deformación unitaria

ø Diámetro

σc Esfuerzo a compresión

σv Esfuerzo a corte

σF Esfuerzo a flexión

σFc Esfuerzo a flexión de columna

ftk Esfuerzo a tensión de rotura

Fy Esfuerzo de deformación a tensión

fyk Esfuerzo de tensión a fluencia

σt Esfuerzo de trabajo

σx Esfuerzo en eje x

σy Esfuerzo en eje y

VIII

σz Esfuerzo en eje z

σ′Fv Esfuerzo resultante a flexión vertical

σu Esfuerzo último

σ Esfuerzo unitario

L Longitud

δ Longitud patrón

ρ′ Mayor cuantía de acero

E Módulo elástico

M Momento

I Momento de inercia

% Porcentaje

h/e Relación de esbeltez

Relación de Poisson

F′c Resistencia a compresión del concreto

f′m Resistencia a compresión de la mampostería

σ′Fc Transferencia de resistencia a flexión

IX

GLOSARIO

Absorción Refiere a la absorción de agua.

ACI American Concrete Institute.

Área Área total del panel.

ASTM American Standard of Testing and Materials.

Cemento Sustancia de polvo fino hecha de argamasa de

yeso capaz de formar una pasta blanda al

mezclarse con agua.

Columna Soporte vertical que transmite carga hacia la

cimentación.

Concreto Mezcla de cemento Portland, agua y aglomerante

finos y gruesos.

Curado Período en el cual un elemento gana resistencia.

Deformometro Dispositivo que mide y registra deformaciones.

Elongación Aumento de longitud de un elemento.

Ensayo Prueba de las propiedades de un elemento.

X

Esfuerzo El producto de la aplicación de una fuerza sobre un

área.

Eslabón Pin o estructura extrema que sirve de apoyo a la

superestructura.

Fluencia Límite donde un elemento sometido a esfuerzo

pierde su proporcionalidad, esfuerzo deformación

lineal y comienza a tener comportamiento plástico.

Fraguar Proceso de endurecimiento del concreto.

Fuerza Energía que se aplica a un elemento.

IBC International Building Code.

Mampostería Sistema constructivo formado por materiales

simplemente acomodados o aglutinados.

Mortero Mezcla de un árido fino (arena), un conglomerante

(yeso, cal o cemento) y agua.

Módulo de elasticidad Relación entre el esfuerzo unitario y la deformación

unitaria.

Panel ecológico Soporte vertical que transmite carga hacia la

cimentación.

Psi Pounds square inch (libra sobre pulgada cuadrada).

XI

Resilencia Es la energía de deformación que puede ser

recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa

el esfuerzo que causa la deformación. Dentro del

límite elástico, la resilencia es igual al trabajo

externo realizado para efectuar la deformación.

UBC Uniform building code.

XIII

RESUMEN

El estudio experimental del desarrollo de resistencia a esfuerzos de

compresión, flexión vertical y corte, de paneles ecológicos del presente sistema

constructivo, a escala natural y que está basado en botellas plásticas rellenas

de residuos sólidos inorgánicos compresibles se realiza como una alternativa

segura estructural, así como los diferentes materiales de construcción que

conforman un material versátil, nuevo y accesible en el área rural de

Guatemala, que a su vez será un agente de mitigación de contaminación por

desechos sólidos del ambiente.

El objetivo principal fue el de determinar su resistencia estructural a los

diferentes esfuerzos al que será sometido y tener datos reales del

comportamiento mecánico para su uso en el sector habitacional en el área rural.

Este trabajo también generó otras ideas para ir mejorando el acoplamiento

de vigas-panel, uniones panel columna, unión panel-losa, trabajos que otros

estudiantes llevarán a cabo en el corto tiempo.

En cada ensayo se presentó gráficas, tablas, fotografías del debido

proceso, figuras y análisis de resultados; al final las conclusiones y

recomendaciones obtenidas durante el trabajo investigativo.

XV

OBJETIVOS

General

Evaluar y proponer este sistema constructivo identificando sus

características mecánicas y dinámicas por medio de ensayos estructurales de

flexión y compresión utilizando los materiales que presente el sistema

constructivo como el panel ecológico. Determinar por medio de las pruebas su

comportamiento estructural, y así poder determinar su resistencia estructural.

Con esto determinar la conveniencia de su uso para la construcción de vivienda

rural, además de proponer las debidas recomendaciones técnicas para su uso

en el área rural y eliminar en una buena parte los residuos sólidos inorgánicos

compresibles.

Específicos

1. Ensayar los paneles ecológicos a pruebas de resistencia a compresión,

flexión vertical y corte.

2. Análisis e interpretación de resultados obtenidos por medio de los

ensayos realizados, para determinar su factibilidad como sistema

constructivo.

3. Dar una alternativa para que por medio de este sistema constructivo los

habitantes del área rural puedan edificar viviendas con seguridad

estructural a través de un sistema que les provea rapidez, facilidad y

economía a la vez.

XVI

4. Dar una alternativa a los habitantes del área rural para que puedan

reducir y mitigar los residuos sólidos inorgánicos compresibles.

XVII

INTRODUCCIÓN

La estructura de una vivienda rural, sometida a la acción de un esfuerzo,

sufre deformaciones se haya diseñado la estructura para resistir o no. Por

ejemplo, el movimiento del terreno provocado por un sismo hace que la vivienda

experimente asientos diferenciales, corte, flexión y compresión en sus

elementos.

Este sistema constructivo a diferencia de los tradicionales puede usarse

para construcciones de vivienda rural para disminuir el costo de construcción y

aportar una función que los otros no hacen, que es la de mitigar componentes

contaminantes. El núcleo del panel son de botellas tipo PET, en forma de panel

de abeja vertical confinado por una ferromalla envolviendo este núcleo e

interconectada entre si por varillas de acero para rigidizar y dar resistencia

estructural a los esfuerzos de flexión y corte. Por último se cubrirá por un

concreto liviano para darle fortaleza al esfuerzo de compresión.

Guatemala presenta vulnerabilidad sísmica en el 70 por ciento de su

territorio según el Instituto Nacional de Vulcanología, Meteorología e Hidrología

(INSIVUMEH), por lo que es importante la evaluación de este sistema

constructivo como una alternativa para completar una vivienda rural, en la que

se minimicen daños dejados por los sismos como una opción de seguridad,

más en zonas de pobreza y extrema pobreza. A la vez el grado de

contaminación que presenta el área rural según estudios realizados por la

Organización Panamericana de la Salud (OPS).

1

1. CONCEPTO GENERAL DEL SISTEMA CONSTRUCTIVO

En Guatemala el uso de paredes de botellas plásticas y otras aplicaciones

caseras se utilizan desde hace aproximadamente 15 años en las áreas rurales,

donde existe déficit habitacional y un excedente de residuos sólidos que no

tienen políticas de manejo y tratamiento de los mismos.

Estos fueron generando problemas de descarga a los habitantes al no

existir vertederos o rellenos sanitarios adecuados, algunos pobladores haciendo

uso de su ingenio fueron aglutinando o simplemente acomodando las botellas

unas sobre otras rellenas de residuos sólidos orgánicos e inorgánicos como si

fuesen bloques o adobes.

De tal manera que empezaron a construir empíricamente paredes para

viviendas, desconociendo totalmente sus propiedades físicas y comportamiento

mecánico.

Siendo Guatemala un país con actividad sísmica es importante aplicar

ingeniería a esta técnica de mampostería tan curiosa y ya investigada en el

trabajo de graduación de soleras y columnas prefabricadas con tecnología de

botellas plásticas y ferrocemento del señor José Carlos Trejo García llevada a

cabo en la sección de estructuras del centro de investigaciones de ingeniería.

Ya pesar que a través de este periodo de tiempo han sido sensibles

innumerables sismos de magnitud considerable, han resistido debido a su

flexibilidad, condición liviana y comportamientos hasta ahora impredecibles.

2

Este material de construcción está basado en un panel ecológico formado

por microcolumnas tensadas de botellas tipos (PET), rellenas de residuos

sólidos inorgánicos compresibles, conocidos como ladrillos ecológicos.

Estos se sujetan a un marco rectangular de hierro de diámetro de ¼ de

pulgada por todo su perímetro, reforzado transversalmente por pines

acopladores a h/3 (0,80 metros) y 2h/3 (1,60 metros) de su altura envueltos por

ferromalla.

Una vez que se va a construir con dicho panel ecológico, se funde con la

tradicional mezcla de cemento y arena (mortero), en dependencia de la

resistencia que sea requerida. Para que finalmente puedan acoplarse los

paneles ecológicos a las columnas prefabricadas (de la tesis del señor José

Carlos Trejo García) y conformen una vivienda ecológica rural con servicios

básicos, las dimensiones final del panel ecológico es de h*b*e (h=altura 2,40

metros*b=ancho 0,80 metros*e=espesor 0.10 metros) 0 (2,40m*0,80m*0,10m).

3

2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA CONSTRUCTIVO

2.1. Fundamentos del sistema constructivo

El sistema constructivo está formado por un núcleo de botellas

termoplásticas tipo PET (polietileno tereftalato) de diámetro 0,06 metros (de

diámetro), una ferromalla de acero de alta resistencia, esta tiene una

resistencia según proveedor de 125 000 libras por pulgada cuadrada y por

último un sistema único de alambre de amarre pretensado que atraviesa los

ladrillos ecológicos en su centro que en el momento del ensamblaje se

pretensan para darles una mayor estabilidad y tensión adecuada para rigidizar

el marco rectangular de hierro, estas condiciones permiten tener una

contraflecha y flecha favorable en los momentos que generaran las solicitudes

de carga.

Estos elementos se interconectan en ambos lados o caras del panel

ecológico por un clip de alambre de amarre a noventa grados (o sea

perpendicularmente) dando así un esqueleto heterogéneo.

El proceso de envolver esta ferromalla es que, el sistema posea mayor

cuantía de acero (ρ) y apoye al núcleo central de PET que no posee ninguna

adherencia por ser una superficie totalmente lisa y sea sustituida su debilidad

por la fortaleza que la ferromalla aporta; que al aplicarle un mortero poseerá

una adhesión instantánea llamándose a partir de este momento ferrocemento y

que también distribuye de mejor manera los esfuerzos por temperatura del

mortero durante su fraguado evitando agrietamientos.

4

La finalidad del sistema constructivo, es proveer paneles ecológicos

prefabricados, que además de ahorrar tiempo en la construcción y mano de

obra, con respecto a sistemas constructivos tradicionales, logren ser agentes

considerables de reducción de residuos sólidos inorgánicos compresibles.

Posteriormente se les colocó un espesor promedio de 0,02 metros en

cada cara del panel ecológico, con un mortero de cemento y arena para darle

el grosor adecuado. El panel ecológico ya terminado posee un grosor de 0,10

metros.

2.2. Composición del sistema constructivo

Conjunto de elementos, materiales, técnicas, herramientas,

procedimientos y equipos, que son característicos para un tipo de edificación en

particular. El panel ecológico está compuesto por:

Núcleo central de botella termoplástica tipo PET rellena de residuos

sólidos inorgánicos compresibles (fibras sintéticas de poliéster, papel

común, retazos de tela, bolsitas plásticas, papel aluminizado, cartón,

ripio, plásticos en general, caucho y poliestireno expandido no tóxico,

auto extinguible, inerte y de densidad uniforme).

Hierro de diámetro de ¼ de pulgada que forma el marco rectangular y los

pines acopladores a las columnas prefabricadas, alambre de amarre que

forma los enlaces pretensados longitudinalmente y transversalmente,

ferromalla de acero entrelazada y traslapada, colocada en ambas caras

del panel ecológico.

5

Colocación de mortero compuesto de cemento y arena de 0,02 metros de

grosor en promedio para cada cara de los muros y las aristas de los

mismos.

2.2.1. Núcleo central de botellas tipo PET (polietileno

tereftalato)

El núcleo del panel ecológico es un conjunto de botellas termoplásticas

tipo PET (polietileno tereftalato) que unidas y vistas desde una sección

transversal es ver un panal de abeja que al modularse de una manera ordenada

se desea lograr el efecto bóveda.

Las botellas termoplásticas se puede clasificarlas de una manera general

como polímeros orgánicos y los polímeros son materiales moleculares

constituidos por átomos de carbón e hidrógeno.

La característica distintiva de un polímero es que cada molécula es una

cadena larga o una red de unidades repetitivas, lo que incide en su alta

capacidad a la presión intersticial (presión hidrostática) que ejercen las bebidas

gaseosas, jugos carbonatados y fuertes enlaces para resistir esfuerzos a

compresión cuando se estiban las cajas de botellas una sobre otra.

Esto se aprecia mejor considerando el polietileno polythene que es uno de

los polímeros más sencillos que existen; los polímeros termoplásticos son

fáciles de moldear o extruir debido a la ausencia de enlaces cruzados.

Un termoplástico se hace bastante plástico si se eleva la temperatura

ambiente pero ya que el panel ecológico está revestido por un mortero, éste

6

crea una temperatura inferior internamente en comparación a la de la exterior y

ayuda a la acción de dilatación térmica.

El polietileno tereftalato o tereftalato de polietileno es un polímero

conocido como Terlenka o Dacrón y es un material especialmente versátil ya

que puede variar considerablemente el grado de cristalinidad. La forma

altamente cristalina llamada polietileno de alta densidad tiene mucha mayor

rigidez que otros polímeros normales para fabricar botellas para bebidas.

El polietileno tereftalato químicamente describiéndolo es un polímero

resina producto de la reacción de policondensación entre el ácido tereftálico y el

etilenglicol cuyo resultado es el de un termoplástico lineal de alta cristalinidad.

La rigidez original de la botella tipo PET tiene una característica versátil

ante los requerimientos de esta nueva aplicación que es la de formar los

ladrillos ecológicos, cuya función es ser el material de mampostería para el

relleno del panel ecológico.

La alta resistencia a la deformación del ladrillo ecológico (botella tipo PET)

sumado el módulo de resilencia que posee le permite adaptase a la fácil

modulación y mampuesto dentro del marco rectangular de acero grado 40 del

panel, ya que en el momento del proceso de maquilación en el relleno de RSIC,

éste confina y densifica excelentemente los RSIC sin sufrir deformación alguna

durante su manipulación.

Algunas propiedades de las botellas tipo PET son:

Resistencia al desgaste y a la corrosión

Resistencia térmica y química

7

Alto coeficiente de deslizamiento interior y exterior

3 R (reciclable, reutilizable, reducible)

Inerte al contacto con el mortero de recubrimiento

Resistencia a esfuerzos varios por su alta rigidez y dureza

Resistencia al interperismo

Buenas propiedades físicas y mecánicas

Resistencia a la deformación térmica ≥ 75 grados centígrados

Figura 1. Panel ecológico de botellas tipo PET

Fuente: Sección de Estructuras del Centro de Investigaciones de Ingeniería.

8

Figura 2. Estructura química del polietileno

Fuente: Ciencia de los materiales. J.C Anderson-K.D Leaver, J.M Alexander, R.D Rawlings:

Editorial Limusa, 1978. 331p.

2.2.2. Residuos sólidos inorgánicos compresibles

Los residuos sólidos inorgánicos compresibles por su definición y

clasificación se puede decir que son materiales que no representan una utilidad

o un valor económico para el dueño. Él se convierte por ende en generador de

residuos, estos están compuestos por diferentes materiales y se pueden

clasificar de varias formas, tanto por estado, origen como por características.

La composición de los residuos como lo es la materia orgánica y la

materia inorgánica; la característica de los residuos como lo son el peso,

volumen y densidad; la clasificación por estado como los sólidos, líquidos y

gaseosos.

La clasificación por su origen como domiciliares, comerciales, industriales

y construcción o demolición; la clasificación por tipo de manejo como

peligrosos, no peligrosos, inerte; la generación de residuos sólidos como la

producción per cápita ( PPC en kg/hab/día); el ciclo de los residuos sólidos tales

como generación, gestión, recolección, transporte, tratamiento intermedio y

disposición final.

9

En el caso particular de este trabajo de graduación, se concentra

específicamente en los residuos sólidos inorgánicos compresibles, que según

las características y definiciones son aquellos que son elaborados de materiales

que no se descomponen o sea que no tienen agentes biológicos degradables o

que tardan demasiado tiempo en hacerlo por envejecimiento molecular, como

es el caso de las botellas termoplásticas tipo PET ( polietileno tereftalato), pero

dentro de nuestro material de construcción como es el panel ecológico el

proceso de envejecimiento se reduce significativamente.

El proceso de envejecimiento de las botellas termoplásticas se debe por

efecto del ambiente en detrimento de las propiedades elásticas de la botella

sobre los enlaces covalentes ya que los polímeros son de origen orgánico

(petróleo). Es un fenómeno bastante conocido así como el de los hules

corrientes que sufren una pérdida semejante de la flexibilidad con el tiempo.

2.2.3. Ferromalla

La ferromalla o malla de gallinero como se conoce en nuestro medio tiene

la característica de ser un elemento altamente moldeable ante las formas

geométricas que se le quiera dar.

El nombre técnico de la ferromalla o vulgarmente malla de gallinero que se

utilizó para la manufacturación de los paneles ecológicos es el de malla tejida

cincada hexagonal de alta resistencia. La malla tejida cincada está conformada

por alambres de alta tensión galvanizados, el motivo del cual estos sean

galvanizados es porque en las tantas aplicaciones que se le da a la ferromalla,

la mayor parte del tiempo estará expuesta al interperismo.

10

La ferromalla tiene alambres de refuerzo que son fabricadas con alambre

de acero galvanizado de alta resistencia, (Fy= 125 000 libras/pulgada

cuadrada), en forma de hexágono alargado que le da más resistencia; este

alambre de refuerzo se encuentra a cada 30 centímetros excepto en aberturas

de 13 y 20 milímetros. La tela de ferromalla está formada por los dobleces de

sus propios alambres.

La función principal del refuerzo de acero (ferromalla) en el ferrocemento

es conformar y soportar el mortero fresco que aún no ha fraguado;

seguidamente absorbe los esfuerzos de tensión que el mortero por sí solo no

sería capaz de soportar y finalmente contribuye a distribuir y reducir el tamaño y

número de las fisuras.

Se deben colocar adicionalmente para reforzar vanos de ventanas,

puertas, esquinas o uniones en ángulo, produciendo continuidad al marco

rectangular de hierro (esqueleto estructural) la malla. Se fijan al panel ecológico

con amarres realizados con alambre de amarre como acción equivalente a las

grapas.

Figura 3. Ferromalla o malla de gallinero

Fuente: muestra gráfica del proveedor.

11

2.2.4. Concreto liviano

Es un concreto especialmente diseñado a partir de los materiales

tradicionales, cemento, arena y grava o piedra pómez de ½ o ¾ de pulgada de

diámetro, más agua, para mantener una consistencia plástica y un peso por

unidad de volumen que garantice su cualidad de liviano.

El concreto liviano tiene aplicaciones que se requieren cuando es

necesario un bajo peso en materiales como rellenos y recubrimientos, paneles,

elementos prefabricados, losas de entrepiso, muros divisorios fundidos en sitio,

prefabricados livianos.

Las ventajas y beneficios que posee el concreto liviano es la reducción del

peso de la estructura, mejor rendimiento en el tiempo de ejecución de

acabados, dado su bajo peso y fácil colocación; mejora las propiedades termo

acústicas de la estructura, disminuye la transmisión de vibraciones y la

estabilidad en el rendimiento volumétrico en estado plástico, así como las

mejores condiciones de acabado.

En el caso de este panel ecológico se dispuso utilizar un mortero como

recubrimiento principal, ya que teniendo en consideración el aspecto

económico, es muy difícil que la grava de ½ o ¾ de pulgada de diámetro sea

adquirida a los que está dirigido el sistema constructivo, ya que su costo varía

entre Q220, 00 a Q320, 00 el metro cúbico de grava, haciendo inaccesible su

coste.

El cemento para este mortero debe ser tipo Portland de 4 000 libras por

pulgada cuadrada, este debe mantenerse en un lugar seco y libre de humedad,

estibado en no más de 10 sacos, para evitar compactación de sus partículas; la

12

arena como otro producto principal para la elaboración de este mortero, debe

estar libre de materia orgánica y otras impurezas y una buena gradación de

finos y gruesos, se procedió a tamizarla en un tamizador de diámetro 1/8 de

pulgada.

El agua debe cumplir al menos la Norma COGUANOR 29 001 ya que es

un requisito para la durabilidad y resistencia del mortero.

La relación de arena/cemento (volumen) para este mortero fue de 1:2 (1

bolsa de cemento tipo Portland 4 000 libras por pulgada cuadrada y 2 pies

cúbicos de arena de rio tamizada), para tener una resistencia adecuada y a la

vez trabajabilidad que se obtuvo al agregar un porcentaje del 15 por ciento de

cal hidratada, y evitar la fisuración por retracción.

La relación agua/cemento (peso) para este mortero fue de 1:6 (1 bolsa de

cemento tipo Portland 4 000 libras por pulgada cuadrada y 6 galones de agua)

para tener una buena relación entre resistencia y trabajabilidad, ya que el efecto

de retracción puede aparecer si la mezcla está demasiada saturada y

automáticamente disminuye la resistencia a la compresión del mortero para el

panel ecológico.

El efecto o fenómeno de la retracción tiene relación directa con pérdida de

humedad que posee intersticialmente la mezcla. Esta variación produce un

gradiente de volumen dentro de la masa del mortero ya que se contrae y

también en el aumento de agua en la mezcla puede incrementar su volumen,

aunque es poco usual este último. La retracción es un fenómeno pérdida-

intercambio de agua con el exterior.

13

En el fenómeno de la retracción del mortero para panel ecológico

intervienen factores tales como:

Humedad relativa y temperatura

Relación agua/cemento y relación arena/cemento

Hidratación y curado

Relación volumen/ área expuesta

Todo esto le da valor al proceso de fabricación del panel en forma

horizontal.

2.2.5. Ferrocemento

El ferrocemento es la unión de ferromalla más el revestimiento o

recubrimiento de un mortero, el cual es el caso de este trabajo de graduación.

Este consiste en una serie de mallas muy juntas de forma hexagonal

completamente envueltas en la matriz del mortero diseñado para el panel

ecológico, generando así un material compuesto que nos permite tener buen

comportamiento mecánico (resistencia, deformaciones) con aplicaciones de

forma geométrica variadas.

La palabra ferrocemento es una combinación de un material ferroso,

generalmente acero de diámetro muy pequeño en comparación al acero de

refuerzo en varillas comerciales, y una matriz de mortero como el material de

envoltorio.

El concepto del ACI ( American Concrete Institute) es el siguiente: El

ferrocemento es un tipo de hormigón armado que se construye en secciones de

pared delgada habitualmente utilizado con mortero de cemento hidráulico

14

reforzado con capas muy juntas de malla de alambre continuas y de diámetro

relativamente pequeño. La malla puede ser de acero u otro material que resulte

ser adecuado.

Los principales componentes del ferrocemento son el mortero, la malla de

gallinero o malla de acero galvanizado y el alambre de amarre que une los

traslapes del envoltorio que nos da una integridad estructural como sistema.

Figura 4. Ferrocemento en funcionamiento


15

3. PROPIEDADES FÍSICAS

Las propiedades físicas y comportamientos mecánicos de todos los

elementos que conforman este sistema constructivo reflejan la versatilidad de

acoplarse a un fin último, que es formar paneles para uso en viviendas de bajo

costo.

Tomando en consideración que la botella tipo PET y los residuos sólidos

inorgánicos tienen funciones, aplicaciones y comportamientos mecánicos

diferentes a los de la ferromalla, hierro y mortero; el ingenio humano puede

concatenarlos de una manera lógica, bien modulada, ordenada, con un análisis

profundo de todos los eventos a que se verá sometido de cargas y esfuerzos

para que puedan llegar a construir una vivienda de bajo costo.

Los 6 materiales son:

Botella tipo PET: propiedad física, alta densidad y volumen bien definido;

propiedad mecánica, elevada resistencia estructural y resistencia en

relación a su peso muerto.

Residuos sólidos inorgánicos compresibles: propiedad física, baja

densidad y no biodegradable; propiedad mecánica, alta compresibilidad y

ahorro en relleno por partes estructurales por ser más livianos.

Ferromalla: propiedad física, bajo peso y bajo volumen en el envuelto;

propiedad mecánica, alta capacidad a la tensión, esfuerzos cortantes y

torsionantes. 125 000 libras por pulgada cuadrada.

16

Hierro de ¼ de pulgada de diámetro grado 40: propiedad física, alta

densidad y bajo volumen y peso respecto a su longitud; propiedad

mecánica, alta resistencia a la fluencia Fy= 2 810 libras por pulgada

cuadrada y resistencia a los esfuerzos cortantes. Debido a su alta

capacidad de resistir esfuerzos a la tensión, la varilla de hierro grado 40

es ideal para el panel ecológico como un material ingenieril, a su vez

como refuerzo vertical, horizontal o como elemento de acople, es

eficiente para la mampostería reforzada y confinada que son bases

fundamentales para este panel ecológico. Capacidad de carga de 890

kilogramos. Norma ASTM A 615.

Alambre de amarre: propiedad física, bajo volumen y peso respecto a su

longitud; propiedad mecánica, alta resistencia a la fluencia ya que es un

trefilado calibre 16 BWG con un diámetro de 1,6 milímetros el cual es

recocido en un horno eléctrico con el objetivo de darle la maleabilidad

requerida. En este caso los amarres especiales del panel ecológico.

Mortero: propiedad física, alta densidad y dureza considerable; propiedad

mecánica principal, alta resistencia al esfuerzo de compresión f’c= 180

kilogramos por centímetro cuadrado, alta resistencia al interperismo y

trabajabilidad por su componente de cal hidratada que se utilizó en la

mezcla del panel ecológico. Tipo M, que es el especificado para levantar

muros con un grosor de 0,02 metros.

Es importante observar la compatibilidad de estos materiales que mejoran

en su conjunto la calidad en las botellas tipo PET, y por lo tanto permiten una

gama amplia de posibilidades de uso en otras aplicaciones constructivas, en

este caso particular la elaboración de un nuevo material de construcción en el

mundo de la mampostería que es el panel ecológico.

17

Tabla I. Datos de propiedades físicas y mecánicas de botellas tipo

PET

Fuente: ELAPLAS [en línea]. [Ref. 25 de enero 2014]. Disponible en Web:

<http://www.elaplas.com.es.html>.

18

Figura 5. Elaboración del mortero para panel ecológico


El tipo de mortero que se diseñó para el recubrimiento mínimo de 0,02

metros para el panel ecológico fue el tipo M, que es un mortero de resistencia

de 2 500 libras por pulgada cuadrada.

Es importante mencionar que el mortero se ensayó a compresión para

cilindros según Norma NTG – 41017 h1 (ASTM C-39) en el Centro de

Investigaciones de Ingeniería de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de

San Carlos de Guatemala, para comparar la resistencia del diseño del mortero

con 2 testigos de la fundición.

19

4. PROCEDIMIENTO DE ARMADO Y ENSAMBLAJE

El procedimiento del proceso de armado y ensamblaje está en función del

lugar en donde se va a llevar a cabo el proyecto de vivienda, ya que se supone

que es el beneficiado el que se encargará de los previos, que incluyen la

compra de algunos materiales y la recolección de las botellas y los residuos

sólidos inorgánicos compresibles.

Recordando que es un proceso puramente artesanal y no de producción

masiva como es el caso de una industria que se dedica a producir paneles en

serie para la construcción de viviendas.

La primera actividad para desarrollar la evaluación estructural del sistema

consisten en recolectar 20 libras de residuos sólidos inorgánicos compresibles,

recolectar 200 botellas tipo PET con tapitas respectivas, comprar 3 libras de

alambre de amarre, comprar 1,5 varillas de hierro de ¼ pulgada de diámetro, 6

yardas de ferromalla de ¾ de pulgada, 2 sacos de cemento 4 000 libras por

pulgada cuadrada, 15 libras de cal para el control de la plasticidad, 4

carretilladas de arena de río (de preferencia) y un marco de madera rectangular

de 4 pulgadas de peralte como formaleta y herramientas sencillas tales como,

arco de sierra, tenaza, metro, martillo, pinza y guantes de piel.

El procedimiento de armado y ensamblaje de un panel ecológico se

conforma de la siguiente manera:

20

Armar un marco rectangular con el hierro de ¼ pulgada de diámetro de

base 0,80 metros por altura de 2,40 metros.

Armar refuerzo transversal (pin acoplador) a h/3 y 2h/3 de su altura con

hierro de ¼ de pulgada de diámetro.

Perforar la base en el eje central y la tapita de la botella.

Amarrar con alambre la base del marco rectangular e introducir la

primera botella.

Introducir hasta llenar en la primera botella (ladrillo ecológico) residuos

sólidos inorgánicos compresibles y proceder a densificarlos

(comprimirlos) con una varilla de apisonamiento o cualquier varilla de

hierro.

Cerrar la botella con la tapita y proceder a tensar el alambre.

De manera continua proceder a llenar ladrillos ecológicos hasta formar la

primera microcolumna y mantener tenso el alambre para proceder a

amarrarlo en su otra base.

Secuencialmente repetir todo el procedimiento de armado de

microcolumnas hasta tener las 12 unidades totalmente amarradas a los

extremos del marco rectangular de hierro de ¼ de pulgada de diámetro,

siempre en el sentido vertical.

Teniendo armado el esqueleto principal armado se procede a ensamblar

los pines acopladores en todos los vértices del marco rectangular, tanto

los pines que se acoplarán a la solera de humedad y de corona (4

unidades) como los pines acopladores a las columnas o mochetas (8

unidades).

Como paso siguiente se envuelve la ferromalla alrededor del esqueleto

ya armado y ensamblado debidamente, de tal manera que sirva como el

elemento de adherencia entre el esqueleto y el mortero de recubrimiento.

En el paso siguiente se procede a reforzar con alambre de amarre con 6

tiras transversalmente el panel a cada h/3 (en el traslape de ferromalla) y

21

se colocan los clips para que puedan amarrar los dos rostros del panel y

a partir de ese momento se coloca dentro de la formaleta para su

posterior fundición con mortero.

El mortero a utilizar debe tener una proporción de relación agua-cemento

de 1:2 (1 bolsa de cemento de 4 000 libras por pulgada cuadrada y dos

carretillas de arena más 12 galones de agua potable).

Finalmente se funde y se recomienda dejar fraguar el elemento a los 21

días cuando alcance el 90 por ciento de su resistencia a la compresión,

para poder utilizarlo como un panel ecológico en la construcción de

vivienda rural.

Figura 6. Armadura de marco rectangular


22

Figura 7. Armadura de acero de refuerzo transversal


Figura 8. Ensamblaje de microcolumnas de botellas tipo PET


23

Figura 9. Fundición con mortero de panel ecológico


Figura 10. Fundición con mortero de segundo panel ecológico


25

5. VENTAJAS Y NOBLEZA DEL SISTEMA

Las ventajas que presenta el sistema constructivo basado en el panel

ecológico son tan amplias como son sus materiales esenciales. Son tan

variadas las aplicaciones de sus elementos que hacen que el sistema

constructivo posea una gama interesante entre sus ventajas y esto radica en el

comportamiento estructural dentro de las obra de construcción.

En general las ventajas del uso de la mampostería ofrece mayor

capacidad de deformación, un patrón de agrietamiento más uniforme,

disminución de grietas para mismos niveles de desplazamiento horizontal sobre

la altura del muro; capacidad de tomar esfuerzos por temperatura, disminución

de fisuras ante cargas de servicio y mayor capacidad ante la presencia de

asentamientos diferenciales.

En particular para este sistema constructivo las ventajas son:

La configuración geométrica del panel ecológico permite realizarle

cualquier tipo de ensayo con los equipos de evaluación y modularlo a

cualquier diseño arquitectónico.

Elevada resistencia estructural y resistencia en relación a su peso

muerto.

Ahorro en cimientos por partes estructurales, por ser más liviana la obra

terminada.

Uso secuencial repetitivo en el proceso de la construcción de la vivienda

rural siguiendo el mismo patrón.

26

La superficie que da la ferromalla permite la adherencia de un mortero

inmediatamente en el proceso de su aplicación.

La recolección de residuos sólidos inorgánicos compresibles esta al

alcance de la población.

Capacidad estructural y poco peso.

Simplifica la cuantificación de materiales y durabilidad.

Es muy importante que al panel ecológico se le ensaye para verificar el

comportamiento estructural bajo ciertas solicitudes de carga.

Los ensayos a los paneles ecológicos fueron realizados a escala natural, a

compresión, a flexión vertical y finalmente a corte.

Las muestras ensayadas se realizaron con un fraguado del mortero de 21

días, según se reporta específicamente en cada ensayo. La prueba fue en un

panel ecológico sólido y con un recubrimiento no menor de 0,02 metros en sus

aristas.

El panel ecológico fue sometido a esfuerzo de compresión, por medio de

una prensa hidráulica con capacidad de 150 000 libras. La carga se aplicó

gradualmente en ellos, tomando lecturas de pandeo perpendicular al centro

respecto de su altura y ancho, todo esto con la finalidad de observar el

comportamiento, en la relación al esfuerzo-deformación en el elemento

estructural.

En el ensayo de flexión vertical se ensayó un panel ecológico sólido de

igual medida 2,4 metros de largo x 0,80 metros de ancho x 0,10 metros de

espesor, fraguado a 21 días. El gato hidráulico usado fue de 10 toneladas con

un área de 2,25 pulgadas cuadradas.

27

Para este ensayo de corte se desarrolló en la prensa hidráulica, las

medidas de este panel ecológico es la misma que la de los otros 2 anteriores,

de 2,40 metros por 0,80 metros por 0,10 metros de espesor, pero colocado de

una manera diagonal.

Siendo los paneles ecológicos obras verticales para el apoyo de cargas,

pueden estar formados por botellas plásticas que no posean grandes

resistencias a la tracción.

Un panel ecológico, estáticamente, trabaja como una losa de canto. Bajo

la acción de carga horizontal (viento, w) perpendiculares al panel corre el

peligro de vuelco, y bajo la acción de cargas verticales puede sufrir pandeo.

Tanto el peligro de sufrir pandeo y vuelco aumentan al crecer la esbeltez h/e de

la sección del panel ecológico.

La capacidad de carga de los paneles ecológicos se halla limitado por la

resistencia a la compresión de la obra empleada y por el peligro de pandeo.

Decrece al aumentar la esbeltez h/e de la sección del panel.

La relación de esbeltez de nuestro panel es h/e = 2,40 metros/0,10 metros

= 24, por lo que se puede afirmar que es un panel esbelto de acuerdo a la

experiencia del asesor, que dice que al pasar de 20 ya es un elemento esbelto.

En general se puede afirmar que la nobleza y simpleza del panel ecológico

descansa sobre la compatibilidad entre todos sus elementos que mejoran en su

conjunto la calidad barrera en las botellas y por lo tanto permiten infinitas

posibilidades de uso en la construcción de viviendas rurales.

28

La gran ventaja que se puede visualizar en este panel, en el momento que

se integre al refuerzo vertical y horizontal (columnas y soleras) independiente a

los resultados que se obtuvieron en el laboratorio, es que sus capacidades

serán magnificadas por el mismo refuerzo de confinamiento al que serán

integradas, y la capacidad de respuesta del panel mejorará.

Figura 11. Relación de esbeltez de panel ecológico h/e= 24 ≥ 20


29

6. CLASIFICACIÓN DE PANELES DEL SISTEMA

CONSTRUCTIVO

Para poder clasificar los paneles ecológicos dentro de un sistema

constructivo se debe desarrollar los conceptos generales y específicos para

poder enmarcar debidamente con fundamento; se debe ver los paneles

ecológicos dentro de la mampostería como un elemento estructural.

Las estructuras de mampostería pueden estar sometidas a diferentes

solicitudes de fuerza, cargas y eventos durante su funcionamiento, que están en

función de su durabilidad en el tiempo útil de servicio.

Algunas de estas solicitudes pueden ser:

Cargas verticales o axiales (propio peso y cargas vivas).

Esfuerzos cortantes y momentos de flexión (sismos y vientos).

Dentro de una clasificación práctica de la mampostería podemos

mencionar tres, la primera, la mampostería simple; la segunda, la mampostería

confinada y la tercera, la mampostería reforzada.

La mampostería simple, está formada por cualquier tipo de materiales

colocados artesanalmente sin ningún tipo de refuerzo interno o externo.

Presentan fallas y colapsos al no estar confinados o reforzados

adecuadamente, es la mampostería más rudimentaria que existe.

30

La mampostería confinada es la que sus materiales de construcción

mampuestos, están confinados a lo largo de su perímetro por un sistema de

columnas, costillas o mochetas (elementos de refuerzo vertical a los lados del

panel) y soleras (elementos de refuerzo horizontal, arriba y abajo del panel

ecológico); es muy importante que no poseen solera intermedia (elemento de

refuerzo horizontal intermedio a h/2 de la altura), o sea que el panel desarrolla

su altura total entre solera de humedad hasta solera de corona.

El comportamiento estructural de la mampostería confinada no depende

totalmente del marco confinante (columnas, costillas y soleras), ya que el panel

ecológico debe tener capacidad de disipar los esfuerzos que actúan sobre el

(esfuerzos de compresión y esfuerzos de corte) y los momentos de flexión

previo al agrietamiento diagonal, y después de este agrietamiento si ayuda el

confinamiento para detener el cortante en las esquinas del panel, para evitar el

transporte de una grieta a otro panel ecológico.

La mampostería reforzada está formada por materiales de construcción

huecos, ya sean bloques de pómez, bloques de concreto y ladrillos tubulares

que internamente están reforzadas en su interior con acero de refuerzo, y que

comúnmente se le conoce como pines.

Este acero de refuerzo se coloca de forma vertical y horizontal (entre la

sisa), para posteriormente vaciarle concreto, mortero o grout, para dejar

confinado el hueco.

Pero la característica más importante y especial que posee esta

mampostería es que posee a h/2 de su altura una solera intermedia, por lo que

refuerza el lienzo de pared, muro o paneles, y lo hace más resistente que la

mampostería confinada ya que tiene no solo mayor capacidad de carga

31

(compresión) sino que también disminuye los esfuerzos cortantes en el mortero

de las sisas, no se diga el efecto de momentos flexionantes.

El acero de refuerzo interior estará constituido por barras o varillas lisas

(pines acoplador y estribos), mallas de acero, malla de gallinero, alambre de

acero, varillas de hierro grado 40 límite de fluencia Fy= 2 810 kilogramos por

centímetro cuadrado.

6.1. Panel ecológico sistema constructivo

El panel ecológico se acopla a columnas prefabricadas y llega a

convertirse en un sistema constructivo de características propias y únicas. No

puede clasificarse como uno de los tres anteriores sistemas estructurales de

mampostería, ya que posee características mixtas. Se podría decir que es un

sistema hibrido de la mampostería confinada y la mampostería reforzada.

La mampostería es un conjunto de dos fases de materiales, estos son:

unidades y mortero, que se integran manualmente de forma ordenada y

repetitiva. Existen diferentes tipos de unidades y morteros como es el caso del

panel, los cuales poseen un rango amplio de propiedades físicas, propiedades

mecánicas y diferentes geometrías.

El material resultante es un panel ecológico, un novedoso material

ingenieril de mampostería hibrida, capaz de soportar acciones gravitatorias y

demás solicitudes de cargas tales como viento, sismo y cargas vivas.

¿Por qué un sistema hibrido? Porque al comparar las características de la

confinada y reforzada este nuevo sistema tiene similitudes de ambos sistemas.

32

Este panel ecológico viene a formar parte de un sistema de muro para

viviendas equivalente o similar al llamado placa-poste. Con las diferencias de

que este panel es más económico y amigable con el medio ambiente, debido a

su núcleo de RSIC y cuyas caras exteriores pueden adoptar acabados

arquitectónicos con mimetismo por la versatilidad del mortero de moldearse al

entorno ambiental.

33

7. CARACTERÍSTICAS DE ACERO DE REFUERZO Y PIN

ACOPLADOR

El acero de refuerzo como elemento estructural de apoyo dentro de todo

sistema constructivo de mampostería es de vital importancia ya que mejora el

comportamiento del panel ecológico ante esfuerzos cortantes y sea mucho más

eficiente para evitar la falla en el mortero de revestimiento (falla frágil).

El uso en este sistema constructivo del acero de refuerzo, visto como un

marco rectangular de varillas de poco diámetro como refuerzo vertical y

horizontal, permite ocupar poco espacio respecto al espesor del panel ecológico

terminado, y que se pueda aprovechar en este, más área de recubrimiento de

mortero (que le dará la capacidad de resistirse a los esfuerzos de compresión),

formando microcolumnas o el efecto dovela; permite ser más eficiente para

soportar las fuerzas de tensión que provocan los momentos de volteo.

En general la cuantía de acero (ρ) del panel ecológico es de 5 706

centímetros cuadrados lo que corresponde a las varillas de ¼ pulgada de

diámetro grado 40 legítimo del esqueleto y los pines acopladores que son 12

unidades, sumado a eso se tiene un área de acero del alambre de amarre más

la ferromalla de 1 204 centímetros cuadrados haciendo un área de acero total

de As = 6,91 centímetros cuadrados.

Para el uso estructural de este panel ecológico se considera un espesor

de mortero promedio mínimo de 0,02 metros en ambas caras del panel,

formando paneles terminados de 0,10 metros de grosor en general.

34

El panel ecológico trae las siguientes características estructurales:

Acero longitudinal A′ ø ¼” (de diámetro) grado 40 legítimo

Acero transversal A″ ø ¼” (de diámetro) grado 40 legítimo

Acero acoplador (Pin) A‴ ø ¼” (de diámetro) grado 40 legítimo

Características del acero:

Tensión característica de fluencia: fyk ˃ 500 N/mm2

Tensión característica de rotura: ftk ˃ 580 N/mm2

Densidad de las botellas tipo PET: 8 kg/m3

Espesor de las botellas tipo PET: 0,06 metros

Espesor de la pared terminada: 0,10 metros

Figura 12. Detalle de pin acoplador para columna


Es muy importante mencionar que adicional a la función del acero de

refuerzo de aumentar la resistencia del panel ante fuerzas de compresión, corte

y flexión es mantener los elementos unidos; una vez agrietado el panel

35

ecológico, el refuerzo en este panel evita el colapso total en el mortero (falla

frágil).

El pin acoplador, es un elemento importante dentro de todos los materiales

que se modularon para el panel ecológico, ya que el es la parte medular dentro

del sistema constructivo, y por su ausencia no se podría integrar el panel

ecológico a ninguna columna prefabricada y solera para formar el muro. El pin

acoplador es el elemento que engancha las caras y donde se sujeta la

ferromalla, éste genera la longitud de desarrollo total l y básico l .

Figura 13. Detalle de pin acoplador para solera de corona


Dentro del panel se modularon los siguientes pines acopladores:

2 pines verticales superiores ( se acoplan a la solera de corona)

2 pines verticales inferiores ( se acoplan a la solera de humedad)

4 pines horizontales izquierdos ( se acoplan a una columna)

4 pines horizontales derechos ( se acoplan a otra columna)

36

Para garantizar la continuidad de los elementos, los paneles ecológicos

contienen en todos sus extremos pines acopladores que permiten unir cada uno

de los paneles, a la columna o costilla del panel adyacente. En esta etapa se

debe cuidar la verticalidad y la alineación de los paneles para evitar cualquier

tipo de desplome. Los eventuales desplomes constituirán elementos de

debilidad estructural. Los espacios vacíos entre los empalmes (entre varillas

verticales o entre otros pines) producen filtraciones por agrietamiento prematuro

por lo que es necesario que la barra quede debidamente embebida en mortero

o grout.

Los vanos deben ser tenidos en cuenta al momento de realizar las

operaciones de montaje, ya que disminuye su capacidad.

Las características técnicas que presentan las varillas del sistema son: el

grado 40 en las varillas de ¼ de pulgada de diámetro usadas para este sistema

constructivo significa que tiene un límite de fluencia de, Fy = 2 810 kilogramos

por centímetro cuadrado con una capacidad de carga de 890 kilogramos según

Norma ASTM A 615; un área de acero de As = 0,317 centímetros cuadrados y

un peso de 0,187 kilogramos por metro.

37

8. TIPOLOGÍA DE LOS PANELES DEL SISTEMA

CONSTRUCTIVO

El cálculo de los elementos mecánicos y los desplazamientos, es parte

integral del proceso de diseño de una estructura, e interesan los esfuerzos

internos de las estructuras producidas por las cargas actuantes, donde los

esfuerzos no excedan los valores límites de seguridad establecidos por el

Código ACI-318 08 capítulo 09.

Antes de vaciar el mortero en las capas, se debe colocar la formaleta en

un área nivelada totalmente plana y libre de obstáculos, para que no genere

flechas y/o contraflechas no deseadas (ligero aumento de altura de centímetros

por cada metro lineal, hasta el centro de la luz de panel).

Figura 14. Vaciado del mortero y tendido del mismo


38

En el caso del presente sistema constructivo, se procedió a colocar la

mano de mortero en la base inferior del panel (suelo-formaleta) antes del

vaciado del mortero de la capa superior.

Para el vaciado del mortero con el sistema constructivo, los encargados de

la construcción deben tener cuidado al caminar, colocando tablones de madera

entre apoyos, evitando de esa manera cualquier tipo de aplastamiento.

El mortero debe ser de 180 kilogramos por centímetros cuadrados con una

granulometría máxima del agregado de 2 milímetros y un espesor de 0,02

metros.

Ya fraguado el mortero de cubierta, se retiran las formaletas, desde un

extremo vertical hacia los extremos horizontales, de manera que no se agriete

el panel ecológico por manipuleo en sus aristas.

El proceso correcto de fraguado es esencial para obtener la resistencia

necesaria de los elementos estructurales. Para evitar la evaporación violenta de

humedad del mortero, se debe mantener hidratada los rostros, por dos días a

partir de la última capa de mortero aplicado, como mínimo, y variará

dependiendo de los efectos del clima.

Todo lo anterior, permite que el cemento se hidrate por un proceso natural,

garantizando el fraguado del mortero y limitando los fenómenos debidos a su

retracción. Por lo que es importante el control en la aplicación del mismo para

que aumente su homogeneidad y su capacidad estructural.

39

La aplicación del revestimiento sobre el mortero se deberá realizar lo más

tarde posible. Mientras mayor sea el tiempo transcurrido entre el curado de las

capas de mortero y la colocación de revestimientos, mayor habrá sido la

retracción del mortero y mayor seguridad existirá de que el revestimiento quede

bien adherido.

Y por último es menester no sobrecargar un rostro del panel ecológico

cuando está acostado, para no dañar el proceso de endurecimiento.

Figura 15. Finalización de la fundición


El orden de actividades para la construcción de una vivienda propuesta

con el presente sistema constructivo, debe ser ordenado. Las fases de

construcción son:

Construcción del panel ecológico e introducción de anclajes.

Montaje de paneles con pines acopladores de acero en correspondencia

con los ángulos, aberturas.

40

Colocación vertical de los paneles con ayuda de guías y puntales.

Trazado e instalación de tuberías y accesorios eléctricos y sanitarios.

Fundición de columnas y costillas (refuerzos verticales).

Retiro de puntales, después de por lo menos 8 días.

Aplicación de acabados protegiéndolos y humedeciéndolos

constantemente para obtener un buen curado.

Figura 16. Desencofrado y forma final de paneles ecológicos


41

9. ENSAYOS DE LABORATORIO

Los ensayos de laboratorio se llevaron a cabo en el centro de

investigaciones de ingeniería, específicamente en la sección de estructuras. Los

ensayos se realizaron con un tiempo de fraguado de los paneles ecológicos a

21 días calendario.

La finalidad de los ensayos de laboratorio es para comprobar las

condiciones estructurales de los paneles, sometiéndolos a tres diferentes

requisitos de carga.

Los ensayos de paneles ecológicos fueron realizados a escala natural, se

inició con la prueba de compresión, posteriormente la prueba de flexión vertical

y finalmente la prueba a corte; por último se agregó el informe de ensayo a

compresión de dos testigos para cilindros de concreto y mortero NORMA NTG –

41017 h1 (ASTM C - 39).

Los ensayos a compresión, corte y flexión fueron realizados a escala

natural y con un fraguado de 21 días. Las pruebas se llevaron a cabo con

paneles totalmente sólidos, sin ningún tipo de abertura o vacío en si, y con un

recubrimiento no menor a 0,02 metros en sus aristas.

Los ensayos de los dos cilindros de mortero se llevaron a cabo

directamente por el personal calificado del Centro de Investigaciones de

Ingeniería con 15 días de fraguado. A su vez en campo se llevó a cabo la

prueba del cono de Abrahams para el revenimiento según Norma ASTM C-143.

42

Figura 17. Prensa hidráulica de 150 000 libras


9.1. Pruebas de compresión sobre muros

Los resultados del proceso de análisis del comportamiento individual y

general de los muros sometidos al ensayo de compresión diagonal, permiten

identificar la variación del esfuerzo cortante, esta prueba se llevó a cabo con un

panel ecológico con medidas de 0,80 metros * 2,40 metros *0,10 metros. Datos

generales del ensayo a compresión:

43

Fecha de fundición: 24 de octubre del 2013

Fecha de ensayo: 14 de noviembre del 2013

Días de fraguado: 21 días

Proporción del mortero 1:2

Relación agua-cemento 1:6

Prensa hidráulica de 150 000 libras

Deformometro 1 a h/2


Figura 18. Prueba a compresión de panel ecológico


44

Tabla II. Datos de ensayo a compresión deformometro 2 a h/3

Fuente: elaboración propia.

0.1

0.00

1pl

gpl

gm

m

Carg

a Ca

rga

LbTo

nPe

queñ

aG

rand

ePe

queñ

aG

rand

e

00.

04

280.

40.

028

0.42

80

0

5000

2.3

423

0.4

0.02

30.

423

-0.0

05-0

.127

1000

04.

54

260.

40.

026

0.42

6-0

.002

-0.0

508

1500

06.

84

300.

40.

030.

430.

002

0.05

08

2000

09.

14

360.

40.

036

0.43

60.

008

0.20

32

2500

011

.44

410.

40.

041

0.44

10.

013

0.33

02

2800

012

.74

500.

40.

050.

450.

022

0.55

88

3000

013

.64

550.

40.

055

0.45

50.

027

0.68

58

3500

015

.94

790.

40.

079

0.47

90.

051

1.29

54

3800

017

.35

130.

50.

013

0.51

30.

085

2.15

9

4000

018

.25

250.

50.

025

0.52

50.

097

2.46

38

4500

020

.55

400.

50.

040.

540.

112

2.84

48

5000

022

.75

690.

50.

069

0.56

90.

141

3.58

14

5500

025

.06

850.

60.

085

0.68

50.

257

6.52

78

6000

027

.36

980.

60.

098

0.69

80.

276.

858

LECT

URA

LECT

URA

plg

AXI

AL

Def

orm

omet

ro 2

: h/

3

Def

orm

ació

nD

efor

mac

ión

Lect

ura

Tota

l

45

Figura 19. Gráfica de compresión con deformometro 2 a h/3


La carga que corresponde a la resistencia de compresión del sistema es

de 15 694,29 kilogramos (17,3 toneladas) 19 kilogramos por centímetro

cuadrado (ver capítulo 10, página 77 y 80).

46

Tabla III. Datos de ensayo a compresión con deformometro 1 a h/2


10.

01m

mm

m

Car

ga

Car

ga

LbTo

nP

eq

ue

ña

Gra

nd

eP

eq

ue

ña

Gra

nd

e

00.

046

9546

0.95

46.9

50

5000

2.3

4689

.546

0.89

546

.895

-0.0

55

1000

04.

546

8446

0.84

46.8

4-0

.11

1500

06.

846

9846

0.98

46.9

80.

03

2000

09.

147

1147

0.11

47.1

10.

16

2500

011

.447

2547

0.25

47.2

50.

3

2800

012

.747

4447

0.44

47.4

40.

49

3000

013

.647

6147

0.61

47.6

10.

66

3500

015

.948

3048

0.3

48.3

1.35

3800

017

.348

4548

0.45

48.4

51.

5

4000

018

.249

3749

0.37

49.3

72.

42

4500

020

.550

5050

0.5

50.5

3.55

5000

022

.750

5050

0.5

50.5

3.55

5500

025

.051

2551

0.25

51.2

54.

3

6000

027

.353

4453

0.44

53.4

46.

49

LEC

TUR

ALE

CTU

RA

Lect

ura

To

tal

De

form

ació

n

AX

IAL

De

form

om

etr

o 1

: h

/2

mm

47

Figura 20. Gráfica de ensayo a compresión con deformometro 1 a h/2

Fuente elaboración propia.

48

Figura 21. Principio de grieta en la parte inferior derecha debido a

Poisson


Durante el proceso de la aplicación de la carga de compresión a 30 000

libras o 13,6 toneladas se presentó una grieta en la parte inferior derecha,

(Poisson) reacomodamiento del elemento en su base de apoyo. En la zona de

transición elastoplástica al llegar a las 38 000 libras o 17,3 toneladas se

presentan dos grietas importantes, la primera en el extremo inferior izquierdo y

la segunda en el extremo superior izquierdo.

49

Figura 22. Efecto dovela del mortero envolviendo botellas PET


La gran capacidad del panel para resistir los esfuerzos a compresión se

debe también al efecto de dovela que genera el mortero al confinar el entorno

de la botella PET.

Figura 23. Vacío dejado por la dovela envolviendo microcolumnas


50

Figura 24. Aparición de tres grietas debido a esfuerzos de compresión


Al observar las gráficas anteriores se aprecia un valle que es generado por

la zona de transición elastoplástica, que el panel experimenta un abatimiento de

1 500 libras debido al cambio de zonas, e inicia súbitamente el endurecimiento

de la zona plástica. La falla a compresión se observó en las grietas que se

propagaron verticalmente de abajo hacia arriba. Estas grietas se forman a

través de los planos de debilidad que conforman la interface botellas PET-

mortero (ver figura 22 y 23). Se puede prever que el colapso final será una

combinación de fallas múltiples en forma de (X) o diagonales por la

configuración de la ferromalla.

51

Figura 25. Aplastamiento total de esfuerzo último al punto de ruptura


Finalmente se generó la falla por aplastamiento en las 60 000 libras o 27,3

toneladas. Este es el punto de ruptura del panel ecológico, visualmente se ve

una grieta transversal a una altura de 2,10 metros (7h/8). Que es provocada por

el aplastamiento del efecto biela o gonce.

52

9.2. Pruebas de mortero

Los morteros son una mezcla de materiales de cemento, agua agregada, y

aditivos. Adhiere unidades de mampostería y es un ingrediente fundamental en

el concreto.

Figura 26. Prueba de Revenimiento del mortero NORMA ASTM C 143


El revenimiento o slump es la medida de fluidez o movilidad relativa de un

mortero o grout. Un revenimiento de 4 pulgadas de asentamiento es producto

de una relación agua-cemento adecuada en promedio.

Un revenimiento ≥ ½ pulgada no es adecuadamente plástico (muy rígido),

y un revenimiento ≤ 9 pulgadas no es adecuadamente cohesivo (muy fluido)

por lo tanto sí es muy fluido es malo y sí es más consistente es bueno, según

Norma ASTM C- 143.

53

En el caso del mortero de los paneles el revenimiento que presentó el

ensayo fue de 3,5 pulgadas por lo que está en el rango de lo debidamente

adecuado, su relación agua-cemento es óptima. Por lo que se puede comprobar

en la siguiente figura.

Figura 27. Resultado de la prueba de Revenimiento de 3,5”


El módulo de tenacidad es un valor que determina la cantidad de energía

que se necesita para romper un material, se le puede medir por la cantidad de

trabajo por volumen unitario requerida para llevar el material a la falla bajo

carga estática. Se determina como el área bajo el diagrama de esfuerzo-

deformación completo, ver figura 4, (Ing. Carlos E. Zeceña Girón. Laboratorio

de Resistencia de Materiales 1. p. 2-5).

54

Figura 28. Curva típica de esfuerzo-deformación

Fuente: Ing. Mario Rodolfo Corzo Ávila. Notas de concreto armado 2, Sabandija sin fronteras. p.

2.

9.3. Pruebas de flexión vertical sobre muros

Esta prueba se llevó a cabo con un panel ecológico con medidas de 0,80 *

2,40 * 0,10 metros. Datos generales del ensayo a flexión vertical:





55


Gato Hidráulico RC 1010 Capacidad Máxima 10 toneladas, Área 2,25

pulgadas cuadradas.


Figura 29. Prueba a flexión vertical de panel ecológico


56

Tabla IV. Datos de ensayo a flexión vertical


Figura 30. Gráfica de ensayo a flexión vertical


Carga Area Carga Carga cm mm mm

Psi In2 lb Ton LECTURA LECTURA Deformacion

0 2.24 0 0.00E+00 12.7 127 0

100.00 2.24 224 0.05 12.8 128 1

200 2.24 448 0.1 12.9 129 2

300 2.24 672 0.1 12.95 129.5 2.5

400 2.24 896 0.2 13.4 134 7

400 2.24 896 0.2 14.1 141 14

400 2.24 896 0.2 14.8 148 21

400 2.24 896 0.2 15.7 157 30

400 2.24 896 0.2 16 160 33

400 2.24 896 0.2 17.5 175 48

FLEXIÓN

Deformometro 1: h/2

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0.120

0.140

0.160

0.180

0.200

0 10 20 30 40 50

Car

ga T

on

Deformación mm

Carga Vs Deformación

57

La carga que corresponde a la resistencia de la flexión vertical del sistema

es de 140 kilogramos (0,1543 toneladas) (ver capítulo 10, página 82).

Figura 31. Principio de grieta en la parte posterior debido a la monofalla


El panel entró súbitamente en endurecimiento, quiere decir que la carga

flexionante atravesó la zona de transición elastoplástica en tan solo 127

kilogramos (0,14 toneladas) y deformando el panel en 2,5 milímetros,

deformación suficiente para agrietar el concreto. Esto debido a su relación de

esbeltez.

58

Figura 32. Colapso total por monofalla transversal única por esbeltez


Solo la cara del mortero a compresión trabajó durante el ensayo. No hubo

fallas múltiples como se pudo observar en el ensayo a compresión. Solo se

presentó una al centro del panel ecológico, por lo que fue una falla frágil del

concreto, lo que nos dice que necesita acero en esa cara, tal como sucede en

las vigas, donde se coloca acero en la zona de compresión para reforzar el

momento flexionante.

59

9.4. Pruebas de corte sobre muros

Esta prueba se llevó a cabo con un panel ecológico con medidas de 0,80 *

2,40 * 0,10 metros. Los datos generales del ensayo a corte se describen:






Prensa hidráulica de 150 000 libras

Figura 33. Prueba a corte de panel ecológico


60

Figura 34. Datos del ensayo a corte


Figura 35. Gráfica de ensayo a corte


mm

Carga Carga

Lb Ton

0 0.0 0

5000 2.3 1.002

6500 3.0 2.003

7000 3.2 2.502

8000 3.6 7.008

10000 4.5 14.001

11000 5.0 21

11500 5.2 30.008

10000 4.5 33.052

11000 5.0 48.041

AXIAL

Deformacion

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 10 20 30 40 50 60

Car

ga T

on

Deformación mm

Carga Vs Deformación

61

La carga que corresponde a la resistencia al corte del sistema es de 3 181

kilogramos (3,5 toneladas) y esta corresponde a un esfuerzo último por corte

de 21 kilogramos/centímetros cuadrados (ver capítulo 10, página 83)

Figura 36. Aparecimiento de primera grieta en lado inferior izquierdo


Al aplicar carga al panel se pudo observar algunas deformaciones de

volteo en la parte baja del muro y deformaciones de movimiento lateral.

Según la gráfica, la zona de resilencia se encuentra en la 2,3 toneladas, la

zona elástica se puede observar en las 3 toneladas, la zona elastoplástica,

punto donde se puede sacar la tangente y determinar la capacidad de diseño a

corte está en 3,2 toneladas con una deformación de 2,502 milímetros.

Existe un valle cerca de 7,08 milímetros, donde entra a trabajar el acero y

después comienza a fluir el mismo, hasta llegar a 4,5 toneladas y termina la

zona de transición elastoplástica, para que finalmente se alcance la zona

plástica que inicia en 4,5 toneladas y termina en 5,2 toneladas donde hay un

endurecimiento del acero previo al aplastamiento.

62

Figura 37. Falla por aplastamiento presentando 3 grietas en paralelo a

la vertical


63

10. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE ENSAYOS DE

LABORATORIO

10.1. Procedimiento y secuencia de los cálculos obtenidos en

laboratorio

El procedimiento del análisis de los resultados de los ensayos realizados a

los paneles ecológicos fue en el orden de los ensayos a compresión, flexión y

por último el ensayo a corte.

10.1.1. Ensayo compresión, deformometro 1 a h/2 y

deformometro 2 a h/3

En ingeniería el ensayo de compresión es un ensayo técnico para

determinar la resistencia de un material o su deformación ante un esfuerzo de

compresión. En la mayoría de los casos se realiza con concretos y metales.

La zona de resilencia del elemento inicia en el rango de 0 toneladas

hasta las 6 toneladas (5 443,11 kilogramos) reflejando deformaciones

negativas, que son el producto del acomodamiento del panel al no tener

empotramiento en sus extremos de apoyo sino que sus bases están

articuladas en los extremos, este acomodamiento indica en las gráficas

que a partir de este rango ya definió un sentido de ladeo.

Al ir aumentando la carga se define su zona elástica que llega hasta las

15,9 toneladas o 14 424,24 kilogramos (ver gráficas de deformometro 1 a

h/2 y deformometro 2 a h/3).

64

La zona de transición elastoplástica se encuentra en las 20 toneladas (18

143,70 kilogramos) y la zona plástica inicia a partir del intervalo de 20

toneladas hasta llegar a las 22,7 toneladas (20 593,10 kilogramos). A

partir de esta última carga entra a trabajar el mortero a compresión,

combinando el entramado del acero de los pines acopladores, el marco

rectangular de acero ( varillas de ø¼” de diámetro) y el acero de la malla

de gallinero (una cara a compresión y la otra a tensión) que es donde

empieza la fluencia del acero y dentro de este rango se hace evidente el

efecto de dovela.

Sí se observa las gráficas de los dos deformometros a h/3 y h/2 reportan

un desplazamiento, una deformación similar de 3,58 milímetros.

Es importante hacer notar que el sistema alcanzó el esfuerzo último (σu)

a la altura de las 25 toneladas (22 679,62 kilogramos) y todavía tuvo una

resistencia adicional que le permitió llagar a 27,3 toneladas (24 766,14

kilogramos) que es el punto de ruptura o fractura (σf) sin que el sistema

colapsara súbitamente y se desplomara al suelo, esto evidencia que el

esqueleto es confiable, ya que nunca se soltó ni puso en peligro la

integridad de la modulación de la armadura interna, solo se fracturó el

mortero a 2,10 metros de altura (7h/8) que es la falla de biela o gonce.

10.1.2. Ensayo flexión vertical, deformometro a h/2 (1.20

metros de altura)

En el ensayo a flexión se desea determinar el módulo de elasticidad del

panel ecológico E y determinar una constante a como factor constante, para el

presente material constructivo de la ecuación E=f’m.

El módulo de elasticidad es la relación entre los esfuerzos y las

deformaciones unitarias en el rango elástico. El módulo de elasticidad se toma

65

generalmente ya sea como la pendiente de la tangente inicial a la curva o como

la pendiente de una línea que une el origen y algún esfuerzo unitario arbitrario,

que en general, es el esfuerzo de diseño.

Para el caso de la flexión se realizó el ensayo exclusivamente con un

deformometro a 1,20 metros de altura o nomenclatura utilizada de h/2.

Durante el proceso de ensayo a flexión pudo inicialmente determinarse

que el panel ecológico ya poseía una deflexión inicial que fue producto

de la manufactura del mismo, de tal manera que cuando se colocó en la

máquina de ensayo el deformometro único a h/2 detectó inmediatamente

una lectura pequeña sin aplicar una carga inicial pero con deformación 0

sin que afectara el procedimiento del ensayo.

Al aplicar una carga de flexión vertical inicial de 100 libras por pulgada

cuadrada o 0,05 toneladas se tiene la primera deformación de trabajo de

1 milímetro. Esta zona de resilencia se encuentra en el intervalo ubicado

entre la carga de 0 toneladas hasta 0,05 toneladas (45 kilogramos) con

una deformación de 1 milímetro en total.

Se puede observar que la carga a flexión vertical hay un comportamiento

lineal en la zona de resilencia, manteniendo un comportamiento elástico

hasta los 90 kilogramos.

Al seguir aplicando una carga al elemento ensayado continuamente, se

puede definir que la zona elástica empezó en el intervalo de la carga de

0,05 toneladas hasta terminar en 0,1 toneladas (90 kilogramos)

generando una deformación de 2,5 milímetros.

La zona de transición elastoplástica es el punto intermedio entre la zona

elástica y la zona plástica; está ubicado en la intersección de la carga de

0,14 toneladas (127 kilogramos) y la deformación de 3,5 milímetros, si se

observa la gráfica es evidente que este trazo se compone de una recta

66

vertical (90 grados) y hay una razón de cambio de la misma formando

una curva y esto es debido a que el elemento empieza la fase de

endurecimiento.

La zona plástica se puede observar desde que el elemento empieza la

fase de endurecimiento hasta llegar al punto máximo en la gráfica,

esfuerzo último (σu) donde está la intersección de la carga de 0,2

toneladas (180 kilogramos) y la deformación de 7 milímetros y termina en

el punto intersectado por la carga siempre de 0,2 toneladas pero con una

nueva deformación de 14 milímetros que es el desfase o deflexión

mostrado en la gráfica. En esta zona el elemento empieza a comportarse

como un plástico y procede a endurecer para entrar a la fase final.

La fase final del panel ecológico sometido a flexión vertical debido a su

alta plasticidad alcanza la zona de endurecimiento de la carga constante

de 0,2 toneladas y deformación de 14 milímetros en adelante y finaliza

hasta llegar al punto de ruptura o fractura (σf) hasta la deformación de 50

milímetros.

La carga P de falla del material se encuentra ubicada en 0,14 toneladas o

127 kilogramos y la deformación para esa carga se encuentra en 2,5 milímetros.

Además se tiene la ecuación para el módulo de elasticidad E, según el

código ACI para este modelo con dos cargas distribuida a L/3 donde L es la

longitud del muro. La ecuación es la siguiente:

= 0,85PL

3

24EI

De donde se despeja E para encontrar el módulo de elasticidad del

sistema. Entonces la ecuación quedaría:

67

E= 0,85PL

3

24 I

Aquí se sustituye los valores que se obtuvieron en la prueba de donde P

es la fuerza de falla, L es la longitud del muro, es la deformación para esa

fuerza P, e I es la inercia del muro a ensayar.

P = 127 kg

L = 240 cm

Δ = 0, 25cm

I = 1/12 bh3 = 1/12(80) (10)3 = 6 666, 00 cm4

La ecuación da como resultado:

E=0,85*127*240

3

24*0,25*6 666=37 311 kg/cm2

Con este valor y con f´m = 30 se puede determinar la constante a con

que se debe calcular el módulo E. Entonces la ecuación quedaría:

a=E

f´m=

37311

30=1 243,7 ≅ 1 200

Con este factor encontrado se obtiene la ecuación con que debe ser

calculado el módulo elástico del sistema el cual queda de la siguiente manera:

E = 1 200 f´m

68

10.1.3. Ensayo a corte

La importancia de someter el panel ecológico es para verificar su

comportamiento mecánico bajo requerimientos de esfuerzos de naturaleza

sísmica. La resistencia al esfuerzo cortante nos permitirá conocer la capacidad

del elemento bajo acción sísmica y a su vez en asentamientos diferenciales o

fallas en el terreno donde se emplaza la casa rural. Verificando así las

deformaciones por volteo, en la parte baja del panel y movimientos laterales.

Este ensayo fue realizado con una variable menos que en los dos ensayos

anteriores. La ausencia de deformometros estuvo presente, la razón, corroborar

el principio del autor Jeans Handry que expone que la capacidad a compresión

debe de ser 6 veces más que la capacidad a la corte de un mismo elemento

teóricamente.

El peso específico del sistema constructivo, es de 1 080 kilogramos por

metro cúbico. Lo que hace que el sistema, sea menor comparativamente con el

peso del concreto que es de 2 400 kilogramos por metro cúbico. Su peso

específico es aproximadamente la mitad de lo que es el concreto, lo que lo hace

un material relativamente liviano, comparado con el peso del concreto.

El peso por unidad del panel ecológico es de 1,08 kilogramos por

centímetro, y también el sistema debe por lo menos resistir tres veces su propio

peso. Es importante considerar que el panel ecológico evaluado siempre debe

considerarse como un sólido, ya que se está evaluando un elemento y no un

muro o pared que en la realidad tendría los vacíos de vanos de puertas y

ventanas que restarían el área total de un panel ecológico y por supuesto su

capacidad a resistir el esfuerzo cortante.

69

Este efecto se logró haciendo dos cortes biselados con una pulidora para

concreto en dos aristas opuestas, para pararlo diagonalmente sobre la

viga de apoyo de la prensa hidráulica.

Para este ensayo no se colocaron deformometros para medir el volteo y

el desplazamiento, ya que el objetivo de este ensayo a corte es para

comparar las cargas gradualmente aplicadas con las de compresión, las

cargas de flexión vertical y la relación entre ellas.

El panel ensayado a corte demostró que al aplicársele carga tuvo 3 fallas

por aplastamiento en la parte inferior.

El área de contacto de los biselados es A= 0,10 m * 0,15 m = 0,03 m2,

por lo tanto el esfuerzo (σ = carga/área) sobre la carga de 4,5 toneladas

es de σ = 4,5 ton/0,03 m2=150 toneladas/ m2.

En el caso de una misma carga pero en el ensayo a compresión se tiene.

σ = 4,5 toneladas/0,16 m2 = 28,125 ton/m2.

El análisis de comparación entre la capacidad de corte (150 ton/m2) y la

capacidad de compresión (28,125 ton/m2) del panel ecológico es por

relación 150/28,125= 5,3333. Aproximadamente cumple el primer

principio de Jeans Handry (capacidad de compresión 6 veces más que

capacidad de corte). La razón porque si se observa la gráfica corte se ve

que la mayor capacidad a resistir el corte se encuentra en 4,5 toneladas

y la gráfica de compresión se encuentra en 24 toneladas, que es punto

previo al abatimiento de aplicación de carga. (4,5 toneladas * 5,3333

veces= 23,99999 toneladas), por lo que sí cumple el principio.

Para poder generar una gráfica de esfuerzo-deformación virtual, que

pudiera simular una deformación de la carga cortante en el eje de las

abscisas (x) se recurrió a el módulo o relación de Poisson ( =

deformación lateral / deformación axial), sabiendo también que ϵ=δ/L y a

la ley de Hooke σ = E * ϵ; dicen que un elemento está sometido a tres

70

esfuerzos normales perpendiculares entre si (tres dimensiones, σx, σy,

σz) que generan una deformación tridimensional respectivamente.

Superponiendo las componentes de las deformaciones originadas por

compresión y flexión vertical debida al efecto de Poisson y la ley general

de Hooke, estas deben influir en las deformaciones de la carga de corte

del panel ecológico.

Matemáticamente se propuso que la carga a compresión generaba las

deformaciones en el eje (y), la carga a flexión vertical generaba

deformaciones en el eje (z) y la carga cortante es generada por la

resultante en dos dimensiones de las deformaciones conocidas en el eje

(x).

En el caso más general, el panel ecológico está sometido a tres esfuerzos

perpendiculares entre sí, σx, σy, σz, acompañadas de tres deformaciones ϵx, ϵy,

ϵz, respectivamente. Superponiendo las componentes de la deformación

originada por la contracción lateral debida al efecto de Poisson a las

deformaciones directas, se obtiene el enunciado general de la ley de Hooke.

ϵx = 1

E[σx- µ(σy+σz)]

ϵy = 1

E[σy- µ(σx+σz)]

ϵz = 1

E[σz- µ(σx+σy)]

Para el caso de este sistema se introduce la hipótesis de que en un estado

de esfuerzos en un elemento, tal que se ejerce un esfuerzo σy en una dirección,

puede producirse contracción lateral libremente en otra dirección (x), pero está

impedida en la tercera (z), por lo que en base a este enunciado se llega a la

relación del módulo de elasticidad efectivo y es aplicado a las placas que en

71

este caso es el ecopanel, 𝐸/(1 − 𝜇2) y obteniendo la resultante por Pitágoras se

generan las deformaciones para esfuerzos cortantes tabulados en la tabla No.

IV.

Tabla V. Resumen de ensayos realizados

Descripción de ensayo

Largo (L)

(mi)

Alto (A) (metros)

Relación L/A

Resilencia del

sistema (kg)

Zona elástica

(kg)

Zona elastoplástica

(kg)

Zona de colapso falla por

aplastamiento (kg)

Compresión 0,80 2,40 0,333 4 536 7 711 10 886 18 144

Flexión 0,80 2,40 0,333 45 90 127 181

Corte 0,80 2,46 0,325 2 086 2 721 2 902 4 717


10.2. Determinación de la carga de diseño de muros

La determinación de la carga o esfuerzos de diseño de los ecopaneles nos

ayudará a conocer el límite de servicio dentro del rango de proporcionalidad de

su comportamiento (límite elástico).

10.2.1. Determinación de la carga de diseño a compresión

La determinación de la carga de diseño del panel ecológico a compresión

σc se determina calculando en la gráfica de h/3 la curva de capacidad de la

tangente en el punto que intersecta la carga (y) de 15,9 toneladas y la

deformación (x) de 1,2954 milímetros.

72

La capacidad del panel en el esfuerzo último σu es la tangente de 25

toneladas (22 679,62 kg) y una deformación (ϵ) de 6,5 milímetros. El panel

ecológico trabaja a una capacidad de diseño a compresión de σu=P/A, donde;

P= 22 679,62 kg y A= 80 centímetros * 10 centímetros (800 centímetros

cuadrados).

σu = P/A = 22 679,62 kg/800 cm2 ―› σu = 28 kg/cm2

Este esfuerzo último se multiplica por el factor de 0,65 (ɸ) para llevarlo a

esfuerzo de trabajo (σt); σt= σu * 0,65.

σt = 25 toneladas * 0,65 =16,25 toneladas (14 741,75 kg) y una

deformación de (ϵ) 1,5 mm = σt = 18,42 kg/cm2

Pudiendo resistir esfuerzos adicionales de hasta σt máx.= σc = 17,3

toneladas (15 694,29 kg / 800 cm2)= 19,6178625kg/cm2, ―› σc = 19 kg/cm2.

19 kilogramos por centímetro cuadrado es el límite de servicio dentro del

rango de proporcionalidad de su comportamiento (límite elástico). Ver párrafo

anterior página 80.

La capacidad de acción sísmica del panel ecológico se obtiene de los

códigos IBC y UBC, que es una relación σt máx. / σ (19/28= 0,67) que es un 67

por ciento mayor a lo que indican los códigos mencionados.

Por lo que se puede ver, la carga de diseño a compresión de 17,3

toneladas y un esfuerzo de trabajo de 19 kilogramos por centímetro cuadrado

es buena. Es un hecho de que el panel tiene capacidad de soportar cargas a

73

compresión altas por cuatro aspectos principales: primero, núcleo bien

modulado (dovela), segundo, rigidez estructural; tercero, un diseño adecuado

de mortero de alta resistencia debido a su relación agua/cemento y cuarto el

envoltorio del efecto ferrocemento.

10.2.2. Determinación de la carga de diseño a flexión vertical

La determinación de la capacidad de la carga de diseño del panel

ecológico a flexión vertical σF se determina calculando en la gráfica de la curva

de la tangente en el punto que intersecta la carga (y) de 0,1543 toneladas y la

deformación (x) de ϵ=3,5 milímetros.

La capacidad tangente del panel es de 0,1543 toneladas y 3,5 milímetros.

El panel ecológico trabaja a una capacidad de diseño a flexión vertical en

esfuerzo último σu = P/A, donde; σ = 0,1543 toneladas (140 kg) y A = 80

centímetros * 80 centímetros (6 400 cm2).

Exactamente en el punto (0,1543 toneladas, 3,5 milímetros) entró en la

zona de endurecimiento súbito e inició la zona plástica, atravesando el punto de

la zona de transición elastoplástica, y por lo tanto se procede a calcular el

esfuerzo último de flexión vertical.

σu =P/A=140 kg/6 400 cm2, ―›σu= 0,0218 kg/cm2.

Pudiendo resistir esfuerzos adicionales de hasta σ máx.=180 kg / 6 400

cm2, ―›σ máx.=0,0220 kg/cm2

74

Y el dato más importante en el tema a flexión vertical es σF= 90 kg / 6400

cm2= 0,0140625 kilogramos por centímetro cuadrado.

σF = 0,0140625 kg / cm2

Por lo que se puede ver, que la carga máxima es de 140 kilogramos y un

esfuerzo de diseño a flexión vertical es de 0, 014 kilogramos por centímetro

cuadrado que es bajo con apoyos articulados, por dos aspectos principales:

primero, su relación de esbeltez, que en el capítulo 5 se verificó que era

demasiado esbelto según experiencia del asesor de este trabajo de graduación;

y segundo, por tener apoyos articulados, recordando que se esta evaluando los

paneles ecológicos individualmente y no como un muro que posee soleras y

columnas que confinan el panel.

10.2.3. Determinación de la carga de diseño a corte

La determinación de la carga de diseño del panel ecológico a corte σv se

calcula en la gráfica, la curva de capacidad tangente en el punto que intersecta

la carga (y) de 3,2 toneladas y la deformación (x) de ϵ=2,502 milímetros.

La capacidad carga última σu del panel es la tangente de 3,2 toneladas y

2,502 milímetros. El panel ecológico trabaja a una capacidad de diseño a corte

de σv=P/A, donde; σ=3,2 toneladas (3 181,818182 kg) y A= 10 centímetros *

15 centímetros (150 centímetros cuadrados).

σu =P/A=3 181,818182 kg/150 cm2 = 21,2121 kg/cm2, ―› σu=21 kg/cm2.

75

Pudiendo resistir esfuerzos adicionales de hasta σu máx.= 4 545,4545 kg

por 150 cm2= 30,30 kg/cm2, ―› σu máx.=30 kg/cm2.

La capacidad de acción sísmica del panel ecológico se obtiene de los

códigos IBC y UBC, que es multiplicar el factor por corte (ɸ) 0,75, que es un

factor de reducción de la resistencia última, por lo que la carga de diseño final

es de: σuɸ =21kg/cm2*0.75 ―› σv = 16 kg/cm2

Por lo que se puede ver, la carga de diseño a corte es de 3 181

kilogramos y 16 kilogramos por centímetro cuadrado es buena. Es un hecho de

que el panel tiene capacidad de soportar cargas a corte medianas por dos

aspectos principales: primer aspecto en contra por su esbeltez, y segundo por

una cuantía de área (ρ) de acero muy baja. También se comprobó el segundo

principio de Jeans Hardy donde expone, que la capacidad al corte debe

soportar al menos 3 veces su propio peso. Peso específico 1 080 kilogramos *

3 veces= 3 240 kilogramos, y la resistencia al corte es de 3 181 kilogramos que

es un valor aproximado.

10.2.4. Evaluación resultados de flexocompresión

Al compararse la deformación provocada por el ensayo a la compresión

ϵ=3,56 milímetros con la deformación del ensayo a flexión corresponde una

carga de 160 kilogramos. En la figura 25 la falla de aplastamiento en la parte

superior del panel aproximadamente a 7h/8 de altura (2,10 metros), se denota

en su lectura equivalente de h/3 (0,80 metros) a compresión.

Cuando se hace el análisis del módulo de tenacidad en el ensayo a

flexión vertical, la gráfica que generaron los esfuerzos, en la zona de transición

76

elastoplástica que es alcanzado hasta los 180 kilogramos. Dentro de este rango

se encuentra que la deformación ϵ= 3,5 milímetros de 140 kilogramos, se

observa también en el panel a compresión a esta misma deformación ϵ=3,5

milímetros.

Por lo que se considera que la carga de diseño a flexión corresponde a

140 kilogramos. Este valor corresponde aproximadamente a 0,75 de la carga de

falla, ¿Por Qué?

Porque un elemento sometido a cargas de servicio de flexo-compresión

experimenta reacciones distintas a cuando es sometido a solicitudes de carga

individuales, según estudio realizado anteriormente y experiencia del asesor,

indican que cuando un elemento es sometido a flexo-compresión la resistencia

a la compresión absorbe la mayor parte del esfuerzo a flexión (ayudando a la

resistencia a flexión).

Como es el caso del trabajo de graduación del señor José Carlos Trejo

García titulada Estudio experimental de soleras y columnas prefabricadas con

tecnología de botellas plásticas y ferrocemento desarrollada en la sección de

estructuras del Centro de Investigaciones de Ingeniería de la Universidad de

San Carlos.

Por lo que el resultado obtenido en el ensayo a flexión vertical donde la

capacidad de la carga de diseño de 140 kilogramos (0,1543 toneladas), se

magnifica considerablemente y mejora las condiciones de la resistencia ya bajo

cargas de servicio combinadas reales de funcionamiento.

Esto lo que quiere decir es que cuando la carga a compresión se aplique

sobre el eje (y) del elemento hará que la cara que es afectada en el eje (z) por

77

la carga de flexión vertical acorte las fibras a compresión dándole mayor

resistencia a la flexión vertical del elemento y afloje las fibras en la cara a

tensión.

También porque los paneles sometidos a tres ensayos; cuyas condiciones

fueron con apoyos articulados o simplemente apoyados, nunca se empotraron

en sus lados a un elemento que lo haya rigidizado, como lo son, la solera de

humedad en su base inferior, una solera de corona en su base superior y

columnas a sus laterales.

Figura 38. Efecto de carga lateral de sismo (lateral) y viento

(perpendicular)

Fuente: manual de diseño Sismoresistente simplificado AGIES DSE 4.1 (2014).

Este es el efecto que producen las cargas o esfuerzos cortantes y

flexionantes sobre el ecopanel trabajando de una manera aislada, ya que no

poseen confinamiento o refuerzo vertical y horizontal, ver página 33, donde se

exige que el ecopanel se integre a columnas y soleras prefabricadas, por

78

recomendación del asesor y también por el manual de diseño en mampostería

reforzada del AGIES 4.1 (2 014).

Es importante hacer mención que la grieta provocada por el efecto biela o

gonce estuvo presente en los tres ensayos, el común denominador de la altura

donde se presentó el punto de ruptura (σf) siempre fue de 7h/8 (2,10 metros).

Integrando el contenido a partir de este punto de la tesis del señor José

Carlos Trejo García Estudio experimental de soleras y columnas prefabricadas

con tecnología de botellas plásticas y ferrocemento se concatena e integra el

concepto de ambos trabajos de graduación.

Al integrar el ecopanel y la columna prefabricada en un solo sistema

estructural se observa la magnificación de las capacidades a resistir los

esfuerzos flexocompresionantes, ya que la buena capacidad de la columna, en

términos de cargas de servicio en la flexión son de:

Resultado de la columna con un diseño eficiente, con un sistema

constructivo y mano de obra mejorado.

Esfuerzo en zona critica previo a ruptura= 65,35 kg/cm2

Factor de reducción ɸ= 0,70

Resistencia o carga de diseño a flexión σF según ensayo= 45,25 kg/ cm2

con una ϵ= 0,91 mm. ―› σF= 45,25 kg/ cm2

Ahora bien teniendo σFc= 45,25 kg / cm2 que es la carga o esfuerzo de

diseño a flexocompresión de la columna prefabricada, nos dará una

79

transferencia de resistencia de la columna hacia el ecopanel, por medio de las

áreas tributarias de la columna que soporta el panel en un comportamiento real

(vivienda).

Esto quiere decir que la columna transfiere a su costado resistencia a la

flexión al ecopanel a través de área tributaria, tomando en cuenta la relación de

áreas, la columna prefabricada 2,40 m * 0,20 m = 0,48 m2 y el ecopanel

2,40*0,80= 1,92 m2. Pero el área tributaria de la columna hacia el ecopanel es

triangular, es decir el esfuerzo se desarrolla en área triangular sobre la placa. A

= (2,40*0,20)/ 2 = 0,24 m2, relación de 1:8.

Por lo tanto una columna transfiere la octava parte de su resistencia al

ecopanel hacia un costado. De un σFc= 45,25 kg / cm2 se pasa a tener un

σ′Fc= 5,6562 kg / cm2 *(2 columnas) = σ′Fc= 11,3125 kg / cm2.

Sumado a la capacidad propia de resistir la flexión del ecopanel, se tiene

una resistencia o esfuerzo de diseño a flexión vertical final de σ′Fc + σF =

σ′Fv= 11,3125+ 0,014 = 11,3265 kg/m2.

σ′Fv= 11,3265 kg/m2 que es la carga de diseño final a la flexión cuya

capacidad es regular. A pesar de que el comportamiento mecánico es regular,

se ha obtenido una magnificación del sistema constructivo de más de 809 veces

el comportamiento original como ecopanel.

Así como la columna prefabricada transfiere resistencia a flexión al

ecopanel, se tiene el enunciado de columna fuerte panel débil a esta solicitud

de carga; de manera inversa con el análisis comparativo de ambos trabajos de

graduación, se concluye también que el ecopanel transfiere resistencia a

80

compresión en un rango largo a la columna prefabricada, teniendo el enunciado

panel fuerte columna débil en esa solicitud de carga.

Procedo a realizar un ejemplo real de integración de cargas y solicitudes

anteriormente probadas en la tesis de José Carlos Trejo García, ver página 117

del estudio experimental de soleras y columnas prefabricadas con tecnología de

botellas plásticas y ferrocemento. Tomando en cuenta que el fin de estas

columnas no es que trabajen aisladamente sino como parte de los ecopaneles,

pero para efectos comparativos se hará uso de la suposición.

Tomando en consideración el peso del techo de lámina 6,02 kilogramos

por centímetro cuadrado, presión por vientos o carga horizontal (w) 200

kilogramos por centímetro cuadrado y carga viva extra de 100 kilogramos por

centímetro cuadrado, todos los mencionados para un área tributaria de 2,5 x 2,5

equivalente a 6,25 metros cuadrados, generan 1 913 kilogramos, la

consideración de carga extra se debe a posibles cambios en las condiciones de

carga ya que culturalmente en Guatemala se modifican las condiciones sin

considerar consecuencias.

El límite de servicio es de 40 kilogramos sobre centímetro cuadrado

equivalentes a 14 400 kilogramos axiales para su sección, la carga a que se

sometería la columna es de 1 913 kilogramos para las condiciones

mencionadas en el párrafo anterior. De acuerdo al ACI-318-08 en su sección

21.5.1.1, las columnas se definen como miembro capaz de resistir la fuerza

axial de compresión que exceda 0.1 f´m Ag, donde 14 400 kg > (0,1 f´m Ag).

Además se debe considerar la acción de momentos y la pérdida de

resistencia del concreto por lo que la carga mínima como límite es de 0,1f´mAg=

81

0,1*40 kg/cm2 * (19 cm)² = 1 444 kilogramos.

La capacidad de carga mínima en la columna corresponde al 75 por

ciento de las condiciones de carga mencionadas anteriormente (1 913 kg * 75

% = 1 444 kg). Considerando que las columnas no trabajarán aisladamente sino

en conjunto con ecopaneles prefabricados, el aporte de las columnas es

satisfactorio hipotéticamente hasta este punto.

Integrando al párrafo anterior los resultados del esfuerzo de diseño a

compresión del ecopanel (σc) de 19 kilogramos por centímetro cuadrado, se ve

que el límite de servicio de 40 kilogramos por centímetro cuadrado de la

columna prefabricada aumenta a 59 kilogramos por centímetro cuadrado, por lo

que ahora se procede a demostrar que las suposiciones eran totalmente ciertas;

los elementos aislados al concatenarlos, y hacerlos trabajar en equipo

magnifican sus capacidades y propiedades mecánicas, porque con el nuevo

límite de servicio se genera el resultado final de 0,1 f´m Ag = 0,1 * 59 kilogramos

por centímetro cuadrado * (19 cm)² = 2 130 kilogramos.

La nueva capacidad de carga de la columna es de 2 130 kilogramos que

es un 11 por ciento mayor a la integración de carga última que es la suma de

carga viva y carga muerta de 1 913 kilogramos que resiste la columna

prefabricada.

Queda así demostrado que en la práctica la transferencia de resistencia

de flexocompresión existe en la interfase ecopanel-columna prefabricada,

porque aumentan ambos el área de contacto en la vertical y la horizontal del

plano de las fuerzas actuantes sobre el sistema constructivo, placa-poste.

82

Tabla VI. Datos comparativos varios entre cuatro sistemas similares


Figura 39. Efecto de carga P


Efecto de carga P sobre 3 ecopaneles sin confinamiento lateral

simplemente acoplados (a) y el efecto de la misma carga P sobre 3 ecopaneles

con confinamiento lateral con columnas prefabricadas debidamente acopladas

(b).

No. Tipo de ensayo Carga de Diseño kg/cm² Comportamiento mecánico Integración de columna Nueva carga de diseño Comportamiento

1 Compresión σc 19 kg/cm² BUENO ……………………………………… …………………………………… BUENO

2 Flexión σF 0,0140625 kg/cm² BAJA SI ( σFc= 11.3125 kg/cm²) σ′ Fv= 11.3265 kg/cm² BUENO

3 Corte σv 16 kg/cm² BUENO ……………………………………… …………………………………… BUENO

83

Se puede observar que ϵ › ϵ′. Es evidente del comportamiento mecánico

de los ecopaneles cuando no tienen confinamiento lateral (a), generan mayor

deformación, debido a que sus fibras flexocompresionantes tienen una menor

distribución de esfuerzos que ya rigidizadas por columnas (b).

Figura 40. Carga equivalente P sobre panel ecológico en ensayo

flexión vertical

Fuente: TREJO GARCÍA, José Carlos. Estudio experimental de soleras y columnas

prefabricadas con tecnología de botellas plásticas y ferrocemento.

Este gráfico representa las medidas y puntos de aplicación de una carga P

sobre el ecopanel y su carga equivalente, ya que si observamos las cargas P/2

se encuentran en contacto a h/3 de la altura del elemento.

Este ensayo a flexión vertical fundamenta el diseño a flexión de elementos

estructurales y está basado en la Norma ASTM E529-75, que simula las

condiciones de carga para determinar sus característica de carga, también nos

ayuda a determinar la correcta configuración estructural del diseño, materiales

y técnicas de fabricación, como ya se ha visto que necesita el panel ecológico.

84

Se debe recordar que cuando se realizó el ensayo a flexión vertical se

verificó que falló la cara a compresión del concreto primero, el acero y la malla

entraron a trabajar muy tarde, lo cual se atribuye a la mala ubicación del acero y

su baja cuantía (ρ) del mismo.

Al asignar valores a la figura 40, se genera los siguientes datos que

servirán para la optimización del ecopanel para próximas aplicaciones.

Carga P = 140 kilogramos, P/2 = 70 kilogramos, h/3 = 0,80 metros y

generan 3 ecuaciones de momentos que posteriormente servirán para el diseño

mejorado.

M A-B = 70X

M B-C = 70X – 70(X – 0, 80)

M C-D = 70X – 70(X – 0, 80) – 70(X – 1, 60)

85

11. ANÁLISIS COMPARATIVO Y DE RENDIMIENTO CON

OTROS SISTEMAS

El análisis comparativo se hará entre el panel ecológico y tres sistemas

similares: el primero será el electropanel de núcleo expandido de poliestireno, el

segundo la pared prefabricada de concreto con refuerzo de acero grado 70 y el

tercero, la tabla de yeso que es una lámina para muro a base de núcleo de yeso

encapsulado en papel reciclado.

La comparación se hará desde el punto de vista de costos y de

rendimiento de materiales, la razón, para comparar la factibilidad de los

materiales y la facilidad económica de acceso al material de construcción.

11.1. Sistema electropanel

Nombre comercial: electropanel. Sistema que cuenta con un núcleo de

espuma de poliestireno expandido de 5,5 centímetros de espesor, con

electromalla de acero de alta resistencia, formando la estructura principal de un

muro de concreto.

Dimensiones: 2,44 metros de largo x 1,22 metros de espesor de muro

terminado de 10, centímetros.

Características especiales: rápida colocación cumpliendo normas de

calidad

Estructural: si.

86

Sismoresistente: si.

Liviano: si.

Costo final metro cuadrado: Q 147,00 m2.

Esta información es según folletos propios de los productos.

11.2. Sistema pared de concreto prefabricada

Nombre comercial: barda prefabricada. Sistema: placa de concreto de 5

centímetros de espesor reforzada con electromalla, esfuerzo a compresión del

concreto de f´c = 210 kg/cm2 y límite de fluencia del acero de refuerzo de fy = 4

922 kg/cm2.

Dimensiones: 2,00 metros de largo x 0,50 metros de altura de muro

terminado de 5 centímetros.

Características especiales: rápida colocación de placa manual.

Estructural: si.


Liviano: no.



11.3. Sistema tabla de yeso

Nombre comercial: láminas de yeso para muros interiores. Sistema:

núcleo de yeso encapsulado en papel reciclado, con acabado natural y otro

para la cara posterior.

87

Dimensiones: espesores de 12,7 y 15,9 milímetros con tableros de 1,22

metros de ancho x 2,44 metros de altura.

Características especiales: sistema económico, se pueden instalar hasta

30 metros cuadrados terminados, por jornada de trabajo.

Estructural: no.

Sismoresistente: no.

Liviano: si.



11.4. Sistema panel ecológico

Nombre comercial: sin nombre. Sistema: está formado por un núcleo de

botellas termoplásticas tipo PET (polietileno tereftalato) de ø 0,06 metros (de

diámetro), una ferromalla de acero de alta resistencia, esta tiene una

resistencia según proveedor de 125 000 libras por pulgada cuadrada; y por

último un sistema único de alambre de amarre pretensado que atraviesa los

ladrillos ecológicos en su centro que en el momento del ensamblaje se

pretensan para darles una mayor estabilidad y tensión adecuada para rigidizar

el marco rectangular de hierro. Estas condiciones permiten tener una

contraflecha favorable en los momentos que generaran las solicitudes de carga.

Estos elementos se interconectan en ambos lados o caras del panel ecológico

por un clip de alambre de amarre a noventa grados (o sea perpendicularmente)

dando así un esqueleto heterogéneo.

Dimensiones: 2,40 metros de altura x 0,80 metros de base de muro

terminado de 10 centímetros.

88

Características especiales: armado en el lugar y agente reductor de

residuos sólidos inorgánicos compresibles.

Estructural: si.


Liviano: si.


Tabla VII. Datos comparativos varios entre cuatro sistemas similares y

costos


No. Nombre Es Estructural? Es sismoresistente? Es Liviano? Costo /M²

1 Electropanel si si si Q167.00/M²

2 Pared de concreto Prefabricada si si no Q198.00/M²

3 Tabla de yeso no si si Q110.00/M²

4 PANEL ECOLÓGICO SI REGULAR SI Q97.00/M²

89

CONCLUSIONES

1. El sistema constructivo, posee una capacidad de resistencia a

compresión de 17 236 kilogramos y el esfuerzo de diseño a compresión

(σc) es de 19 kilogramos/centímetro cuadrado.

2. El sistema constructivo, posee una capacidad de resistencia a corte de 3

181 kilogramos y el esfuerzo de diseño a corte (σv) es de 16

kilogramos/centímetro cuadrado.

3. El sistema constructivo, posee una capacidad de resistencia a flexión de

90 kilogramos y el esfuerzo de diseño a flexión (σF) es de 0,014

kilogramos por centímetro cuadrado demostrando que es baja su

capacidad a resistir la flexión, pero a integrarlo al confinamiento de

soleras y columnas aumenta a (σ′Fv) 11, 3265 kilogramos/centímetro

cuadrado lo que resulta resistente a vientos y empujes laterales.

4. Se observó que el sistema tiene un rango elástico corto, además de

iniciar fallas en los traslapes de malla.

5. Para el presente sistema constructivo la constante a con que se calcula

el factor del módulo elástico, proporciona como resultado 1 200 por lo

que la ecuación del módulo elástico del sistema quedaría de la siguiente

manera: E = 1 200f´m

90

6. La resistencia a compresión del sistema constructivo, genera una carga

de 17 236 kilogramos, superando en más de 5,42 veces la resistencia a

corte del sistema que es de 3 181 kilogramos, que aproximadamente es

de 6 veces la resistencia.

7. El panel ecológico es un agente mitigador de residuos sólidos

inorgánicos compresibles, ya que cada panel redujo un promedio de 20

libras. Se concluye que para construir una vivienda de 6 metros x 6

metros multiambientes se necesitan 850 libras de residuos sólidos

inorgánicos compresibles.

8. Los costos de fabricación son bajos en comparación a sistemas

constructivos tradicionales e industrializados.

9. El panel ensayado a corte demostró que al aplicársele carga tuvo 3 fallas

por aplastamiento en la parte inferior. Para corregir el problema se les

colocará en el futuro un refuerzo de apoyo (pin) en la parte inferior, entre

el elemento horizontal de apoyo (solera de humedad) y el panel

ecológico, lo que mejorará sustancialmente el comportamiento estructural

del panel.

10. El pin acoplador crea una ventaja en el sistema porque evita la abertura

del panel.

11. Con los resultados obtenidos si se puede construir una vivienda rural.

91

RECOMENDACIONES

1. Para este sistema constructivo se recomienda usar un esfuerzo de diseño

a flexión de 10 kilogramos por centímetro cuadrado, logrando mejorar su

relación de esbeltez y que ésta sea menor a 20. Aumentar una nueva

cuantía de acero (ρ′) en base al análisis estructural de una nueva

modulación del marco de hierro, tipo canasta en ambas caras del

ecopanel.

2. En los ensayos de corte se llega a la conclusión que debido a las fallas por

aplastamiento se debe evaluar la colocación de más pines en las áreas

débiles en donde aparecen estas.

3. En vista del regular rendimiento del sistema constructivo a la flexión

vertical se recomienda redistribuir a menos altura el intervalo de los pines

acopladores, en vez de cada h/3 a cada h/6. Esto para mejorar su

comportamiento a las deflexiones y tener una mayor resistencia a las

cargas flexionantes, específicamente más área de acero en la cara de

compresión.

4. Ya que el panel ecológico tiene debilidad al aplastamiento, se recomienda

colocarle refuerzo de acero con hierro N° 3 a cada 0,20 metros espaciado

horizontalmente sobre la solera de humedad.

5. Inmediatamente terminado y respetando al menos 21 de fraguado del

mortero se recomienda instalarse el panel ecológico asegurándose de

integrarlo a la solera de humedad en la parte inferior, a la solera de corona

92

en la parte superior y finalmente confinarlo a las columnas prefabricadas

lateralmente para luego ir formando muros para vivienda rural.

6. Se recomienda utilizar una columna prefabricada de 0,19 metros por 0,19

metros de sección cuadrada con un armado de 4 varillas de hierro de ø ⅜”

y estribos de ø ¼pulgada @ 0,10 metros, o la de la tesis estudio

experimental de soleras y columnas prefabricadas con tecnología de

botellas plásticas y ferrocemento del señor José Carlos Trejo García.

7. Se recomienda que el pin acoplador del panel ecológico también se haga

en la columna prefabricada pero a un centímetro por debajo del nivel del

pin acoplador del panel, esto para poder traslapar y amarrar

adecuadamente los ganchos de sujeción.

8. Se recomienda mantener en todo momento las botellas tipo PET sujetas al

marco rectangular de acero por medio del alambre de amarre tensado, ya

que esta condición es la que permite al esqueleto estructural mantenerse

en pie y evitando así el desplome del panel, aunque el mortero se agriete.

Esto es debido a la presencia de la configuración del ensamble de las

botellas, hasta el punto que el panel se puede envolver dentro de si y no

desarmarse.

9. Se recomienda construir la vivienda rural siguiendo las instrucciones del

proceso constructivo que en este trabajo de graduación se indicó.

93

BIBLIOGRAFÍA

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comentario. Versión en español y en sistema métrico. Farmington

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Sacatepéquez, departamento de Sacatepéquez. Trabajo de

graduación de Ing. Civil. Facultad de Ingeniería, Universidad de San

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de Ingeniería, Universidad de San Carlos de Guatemala. 2004. 156

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graduación de Ing. Civil. Facultad de Ingeniería, Universidad de San

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94

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Ingeniería, Universidad de San Carlos de Guatemala. 1995, 110 p.

7. TREJO GARCÍA, José Carlos. Estudio experimental de soleras y

columnas prefabricadas con tecnología de botellas plásticas y

ferrocemento. Trabajo de graduación de Ing. Civil. Facultad de

Ingeniería, Universidad de San Carlos de Guatemala, 2012, 150 p.

8. ANDERSON, J.C. Ciencia de los materiales. México: Limusa, 1978. 331

p.

9. NASH, William A. Resistencia de materiales, Colombia: McGraw-Hill,

1969, 250 p.

95

ANEXO

97

Diagrama esfuerzo contra deformación

Fuente: ZECEÑA GIRÓN, Carlos E. Laboratorio de Resistencia de Materiales 1. p. 25

98

Ensayo a compresión NORMA NTG-41017 h1 (ASTM C-39)

Fuente: Sección de Mecánica de Suelos, CII/USAC.

universidad de san carlos de guatemala facultad de ... héctor martínez letona.pdf ·...

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